Informatie

5.5: Elektronentransport loskoppelen van ATP-synthese - biologie


Dat is dus oxidatieve fosforylering. Het systeem is normaal gesproken sterk zelfregulerend vanwege de ondoordringbaarheid van het binnenste mitochondriale membraan voor H+. Er is dus een direct verband tussen de ademhalingsfrequentie en de fysiologische energiebehoefte.

Interessant is dat er een uitzondering is op deze nauwe koppeling van de elektronentransportketen en de vorming van ATP. Het doel van bruin vet (ook bekend als bruin vetweefsel), dat het vaakst wordt aangetroffen bij pasgeboren en overwinterende zoogdieren, is om niet-rillende (niet op beweging gebaseerde) warmte te genereren om het dier warm te houden. Dit wordt bereikt door de elektronentransportketen te ontkoppelen van de ATP-synthese. Deze ontkoppeling is een hormonaal gecontroleerd proces gebaseerd op de aanwezigheid van een mitochondriaal protonkanaal genaamd thermogenine. Het hormoon noradrenaline verhoogt de productie van vrije vetzuren, die het thermogeninekanaal openen. Hierdoor kunnen protonen vanuit de intermembraanruimte terug in de matrix stromen zonder door ATP-synthase te hoeven gaan. Hierdoor kan de elektronentransportketen blijven wegslepen, ATP-niveaus worden niet opgebouwd, er is geen verlaging van de ademhalingssnelheid en de overtollige energie die niet wordt gebruikt bij de ATP-productie, komt vrij als warmte.

In feite werd 2,4-dinitrofenol, dat tegenwoordig in een verscheidenheid aan onderzoeks- en industriële toepassingen wordt gebruikt, ooit gebruikt als dieetgeneesmiddel (in de jaren dertig) omdat het door een ander mechanisme ook het elektronentransport loskoppelde van de ATP-synthese. Het werkingsmechanisme is afgeleid van het vermogen om protonen te dragen en vrij te geven terwijl het vrij door het mitochondriale membraan diffundeert (omdat het een klein hydrofoob molecuul is). Terwijl dit doorgaat, kataboliseren cellen steeds meer voorraden koolhydraten en vetten, wat de reden is voor de interesse van lijners. Helaas voor sommige van die lijners had dit farmacologische middel om de elektronentransportketen los te koppelen van de ATP-synthese geen andere regulering dan de hoeveelheid ingenomen DNP. In geval van overdosering kan de ademhalingssnelheid dramatisch stijgen terwijl er weinig ATP en veel warmte wordt geproduceerd. In feite zijn ziekte en overlijden door een overdosis over het algemeen te wijten aan de piek in lichaamstemperatuur in plaats van een verlaagde ATP-beschikbaarheid. Helaas zijn er nog steeds enkele lijners en bodybuilders die ondanks de gevaren zelfmedicatie geven met DNP.


5.5: Elektronentransport loskoppelen van ATP-synthese - biologie

De elektrochemische gradiënt koppelt de snelheid van de elektronentransportketen aan de snelheid van ATP-synthese. Omdat elektronenstroom protonenpompen vereist, kan elektronenstroom niet sneller plaatsvinden dan protonen worden gebruikt voor ATP-synthese (gekoppelde oxidatieve fosforylering) of worden teruggevoerd naar de matrix door een mechanisme dat de ATP-synthaseporie kortsluit (ontkoppeling).

7.7.1. Regeling door koppeling

Aangezien de energie van de chemische binding van ATP wordt gebruikt door energievereisende reacties, nemen de ADP- en Pi-concentraties toe. Hoe meer ADP aanwezig is om aan het ATP-synthase te binden, des te groter zal de protonstroom zijn door de ATP-synthaseporie, van de intermembraanruimte naar de matrix. Dus als de ADP-niveaus stijgen, neemt de protoninstroom toe en neemt de elektrochemische gradiënt af (Fig. 7.2 en 7.3). De protonpompen van de elektronentransportketen reageren met verhoogde protonenpompen en elektronenstroom om de elektrochemische gradiënt te behouden. Het resultaat is een verhoogde O2 consumptie. De verhoogde oxidatie van NADH in de elektronentransportketen en de verhoogde concentratie van ADP stimuleren de routes van brandstofoxidatie, zoals de TCA-cyclus, om meer NADH en FADH te leveren2 naar de elektronentransportketen. Tijdens het sporten gebruiken we bijvoorbeeld meer ATP voor spiercontractie, verbruiken we meer zuurstof, oxideren we meer brandstof (wat betekent dat we meer calorieën verbranden) en genereren we meer warmte uit de elektronentransportketen. Als we rusten, en de snelheid van ATP-gebruik neemt af, neemt de protoninstroom af, neemt de elektrochemische gradiënt toe en vermindert de "tegendruk" van protonen de snelheid van de elektronentransportketen. NADH en FADH2 kunnen niet zo snel worden geoxideerd in de elektronentransportketen, en bijgevolg remt hun opbouw de enzymen die ze genereren. De elektronentransportketen heeft een zeer hoge capaciteit en kan zeer snel reageren op elke toename van het ATP-gebruik.

7.7.2. ATP-synthese loskoppelen van elektronentransport

Wanneer protonen terug in de matrix lekken zonder door de ATP-synthaseporie te gaan, dissiperen ze de elektrochemische gradiënt over het membraan zonder ATP te genereren. Dit fenomeen wordt "ontkoppeling" genoemd oxidatieve fosforylering. Het komt voor met chemische verbindingen, bekend als: ontkoppelaars , en het komt fysiologisch voor met ontkoppelingseiwitten die protongeleidingskanalen door het membraan vormen. Ontkoppeling van oxidatieve fosforylering resulteert in verhoogd zuurstofverbruik en warmteproductie terwijl elektronenstroom en protonenpompen proberen de elektrochemische gradiënt te behouden.


Mitochondriën worden vaak beschreven als de "krachtpatser" van een cel, omdat hier de energie grotendeels vrijkomt bij de oxidatie van voedsel. Reductie-equivalenten gegenereerd door bèta-oxidatie van vetzuren en uit de Krebs-cyclus komen in de elektronentransportketen (ook wel de ademhalingsketen genoemd). Tijdens een reeks redoxreacties reizen elektronen door de keten en geven ze hun energie in gecontroleerde stappen vrij. Deze reacties sturen het actieve transport van protonen van de mitochondriale matrix door het binnenmembraan naar de intermembraanruimte. De ademhalingsketen bestaat uit vijf hoofdtypen dragerflavines, ijzer-zwavelcentra, chinonen, cytochromen (heemeiwitten) en koper. De twee belangrijkste reducerende equivalenten die de ademhalingsketen binnenkomen, zijn NADH en FADH2. NADH is gekoppeld via het NADH-specifieke dehydrogenase, terwijl FADH2 opnieuw wordt geoxideerd in succinaatdehydrogenase en een ubiquinonreductase van de vetzuuroxidatieroute. Zuurstof is de uiteindelijke acceptor van elektronen en wordt met protonen omgezet in water, het eindproduct van aërobe cellulaire ademhaling. Een elektrochemische gradiënt van protonen (vaak protonmotorische kracht genoemd) wordt over het binnenmembraan tot stand gebracht, met een positieve lading in de intermembraanruimte ten opzichte van de matrix. Protonen aangedreven door de proton-aandrijvende kracht, kunnen ATP-synthase binnengaan en zo terugkeren naar de mitochondriale matrix. ATP-synthasen gebruiken deze exergonische stroom om ATP in de matrix te vormen, een proces dat chemiosmotische koppeling wordt genoemd. Een bijproduct van dit proces is warmteontwikkeling.

Een antiport, ATP-ADP-translocase, exporteert bij voorkeur ATP uit de matrix, waardoor een hoge ADP:ATP-verhouding in de matrix behouden blijft. De nauwe koppeling van de elektronenstroom aan de ATP-synthese betekent dat het zuurstofverbruik afhankelijk is van de beschikbaarheid van ADP (respiratoire controle genoemd). Hoge ADP (lage ATP) verhoogt de elektronenstroom, waardoor het zuurstofverbruik toeneemt en een lage ADP (hoge ATP) vermindert de elektronenstroom en vermindert daardoor het zuurstofverbruik. Er zijn veel remmers van mitochondriale ATP-synthese. De meeste werken door ofwel de elektronenstroom te blokkeren (bijv. cyanide, koolmonoxide, rotenon) of de elektronenstroom te ontkoppelen van ATP-synthese (bijv. dinitrofenol). Thermogenine is een natuurlijk eiwit dat voorkomt in bruin vet. Pasgeboren baby's hebben een grote hoeveelheid bruin vet en de warmte die wordt gegenereerd door thermogenine is een alternatief voor ATP-synthese (en dus produceert de elektronenstroom alleen warmte) en maakt het mogelijk om de lichaamstemperatuur bij pasgeborenen te handhaven.

De elektronentransportketen bevindt zich in het binnenste mitochondriale membraan en omvat zo'n 80 eiwitten die zijn georganiseerd in vier enzymatische complexen (I-IV). Complex V genereert ATP maar heeft geen activiteit van elektronenoverdracht. Naast deze 5 complexen zijn er ook twee elektronenshuttle-moleculen Co-enzym Q (ook bekend als ubiquinone, CoQ) en Cytochroom c (Cytc). Deze twee moleculen pendelen elektronen tussen de grote complexen in de keten.

Hoeveel ATP's worden door dit proces gegenereerd? Theoretisch kunnen voor elk glucosemolecuul 32 ATP's worden geproduceerd. Terwijl elektronen van NADH naar zuurstof in de keten vallen, kan het aantal protonen dat wordt weggepompt en terugkeert door ATP-synthase 2,5 ATP's per elektronenpaar produceren. Voor elk paar dat door FADH2 wordt gedoneerd, kunnen slechts 1,5 ATP's worden gevormd. Twaalf paar elektronen worden verwijderd uit elk glucosemolecuul

10 door NAD+ = 25 ATP's
2 door FADH2 = 3 ATP's.

In totaal 28 ATP's. Er worden echter 2 ATP's gevormd tijdens de Krebs-cyclus en 2 ATP's gevormd tijdens glycolyse voor elk glucosemolecuul, waardoor een totale ATP-opbrengst van 32 ATP's wordt verkregen. In werkelijkheid wordt de energie uit de ademhalingsketen gebruikt voor andere processen (zoals actief transport van belangrijke ionen en moleculen), dus bij normale ademhaling zal de werkelijke ATP-opbrengst waarschijnlijk geen 32 ATP's bereiken.

De reducerende equivalenten die de elektronentransportketen voeden, namelijk NADH en FADH2, worden geproduceerd door de Krebs-cyclus (TCA-cyclus) en de bèta-oxidatie van vetzuren. Bij drie stappen in de Krebs-cyclus (isocitraatomzetting naar oxoglutaraat, oxoglutaraatomzetting naar succinyl-CoA-malaatomzetting naar oxaalacetaat), wordt een elektronenpaar (2e-) verwijderd en overgebracht naar NAD+, waarbij NADH en H+ worden gevormd. In een enkele stap wordt een elektronenpaar uit succinaat verwijderd, waardoor FAD wordt gereduceerd tot FADH2. Van de bèta-oxidatie van vetzuren vormt een stap in het proces NADH en H+ en een andere stap vormt FADH2.

Cytoplasmatisch NADH, gegenereerd uit glycolyse, moet worden geoxideerd om NAD+, essentieel voor glycolyse, te hervormen, anders zou de glycolyse niet meer functioneren. Er is geen drager die NADH rechtstreeks in de mitochondriale matrix transporteert en het binnenste mitochondriale membraan is ondoordringbaar voor NADH, dus gebruikt de cel twee shuttlesystemen om reducerende equivalenten naar het mitochondrion te verplaatsen en cytosolisch NAD+ te regenereren.
De eerste is de glycerolfosfaat-shuttle, die elektronen uit het cytosolische NADH gebruikt om FADH2 in het binnenmembraan te produceren. Deze elektronen stromen vervolgens naar Co-enzym Q. Complex I wordt omzeild zodat er via deze route slechts 1,5 ATP's per NADH kunnen worden gevormd. De algehele gebalanceerde vergelijking, die alle reacties in dit systeem optelt, is

NADH (cytosol) + H+ (cytosol) + NAD+ (mito.) = NAD+ (cytosol) + NADH (mito.) + H+ (mito.)

De malaat-aspartaat shuttle gebruikt de oxidatie van malaat om NADH in de mitochondriale matrix te genereren. Dit NADH kan dan direct aan complex I worden toegevoerd en kan zo via de ademhalingsketen 3 ATP's vormen. De algehele evenwichtige vergelijking is

NADH (cytosol) + H+ (cytosol) + FAD (binnenste memb.) = NAD+ (cytosol) + FADH2 (binnenste memb.)

Beide shuttlesystemen regenereren cytosolische NAD+.

Het ingangspunt voor NADH is complex I (NADH dehydrogenase) en het ingangspunt voor FADH2 is co-enzym Q. De invoer van elektronen van vetzuuroxidatie via ubiquinon is gecompliceerd en wordt niet weergegeven in het diagram.


Sperma mitochondriale ontkoppeling

Mitochondriën genereren ATP door de activiteiten van twee grote transporteiwitcomplexen op het binnenste mitochondriale membraan (IMM) te koppelen - de elektronentransportketen (ETC) en ATP-synthase. De ETC pompt waterstofionen (H + ) uit de mitochondriale matrix om een ​​elektrochemische H + -gradiënt (ΔΨ) over de IMM te genereren. ATP-synthase laat H+ vervolgens terug diffunderen in de mitochondriale matrix en gebruikt, net als een moleculair waterrad, de energie die vrijkomt bij deze diffusie om ATP te synthetiseren.

Oorspronkelijk werd aangenomen dat H + -ionen alleen via ATP-synthase naar de matrix konden terugkeren, maar het is nu algemeen bekend dat er andere eiwitten in het IMM zijn die H + in staat stellen terug te keren naar de mitochondriale matrix, maar geen ATP genereren en in plaats daarvan de vrijgekomen energie als warmte afgeven. Dit fenomeen, bekend als mitochondriale ontkoppeling, is cruciaal voor de mitochondriale functie en integriteit. In de gespecialiseerde thermogene weefsels, bruin en beige vet, helpt mitochondriale ontkoppeling om de kerntemperatuur van het lichaam te handhaven en het lichaamsgewicht onder controle te houden, en wordt gemedieerd door ontkoppeling van eiwit 1 (UCP1).

In de meeste andere weefsels zijn mitochondriën zelden ontkoppeld, en wanneer ze ontkoppeld zijn, dragen ze een kleinere H+-stroom over de IMM. Omdat deze "milde" ontkoppeling echter in de meeste weefsels voorkomt, kan het een aanzienlijke invloed hebben op de thermogenese, het lichaamsgewicht, een gezond metabolisme en het reproductiepotentieel.

Onlangs werd aangetoond dat milde mitochondriale ontkoppeling wordt gemedieerd door Adenosine Nucleotide Transporter (ANT)-eiwitten. De primaire functie van deze eiwitten is om ATP uit de mitochondriale matrix te transporteren, maar wanneer ze worden geactiveerd door chemische ontkoppelaars, laten ze ook H + -ionen door, waardoor de mitochondriën worden ontkoppeld - waardoor het IMM-potentieel wordt verminderd en de synthese van ATP wordt vertraagd. Bij mensen en muizen zijn er verschillende ANT-isovormen en menselijk ANT4 wordt uitsluitend tot expressie gebracht in sperma.

ANT4 is eerder erkend als een uitstekend anticonceptiedoelwit en we streven ernaar de ontkoppelingsfunctie ervan te activeren, waardoor sperma van energie wordt afgevoerd en ze niet in staat zijn om een ​​eicel te vinden en te bevruchten. Deze benadering kan leiden tot de creatie van unisex-anticonceptiva met minder bijwerkingen dan bij eerdere pogingen om ANT4 aan te pakken.


Abstract

Er is een procedure ontwikkeld om de maximale ontkoppelingsactiviteit van de klassieke ongesubstitueerde fenolische ontkoppelaars van mitochondriale oxidatieve fosforylering (OX PHOS) 2,4-dinitrofenol en 2,6-dinitrofenol te beoordelen. De ontkoppelingsconcentraties, C, die nodig zijn voor maximale ontkoppelingseffectiviteit blijken een sterke functie van de pH te zijn, en een lineair verband van pC met pH wordt verkregen tussen pH 5 en pH 9. De hellingen van de ontkoppelingsconcentraties in de waterige en lipide fasen als functie van de pH zijn geschat. Het is aangetoond dat de experimentele resultaten kunnen worden afgeleid van de eerste principes door een enzymkinetisch model voor ontkoppeling dat is gebaseerd op de dezelfde vergelijkingen zoals geformuleerd voor de koppeling van ionentransport aan ATP-synthese in een begeleidend document na het opleggen van de speciale voorwaarden die voortvloeien uit het ontkoppelingsproces. De resultaten onthullen de katalyse van een reactie waarbij zowel de anionische als de geprotoneerde vormen van de fenolische ontkoppelaars betrokken zijn in de buurt van hun bindingsplaatsen in een niet-waterig gebied van de cristae-membranen van mitochondriën. Op basis van de ontkoppelingsgegevens is de snelheidsbeperkende stap in het totale ontkoppelingsproces in kaart gebracht. De gegevens kunnen niet worden verklaard door een eenvoudige geleiding van protonen door ontkoppelaars van de ene bulkwaterfase naar de andere, zoals gepostuleerd door de chemiosmotische theorie van Mitchell. Het is aangetoond dat de twee-ionentheorie van Nath over energiekoppeling/ontkoppeling in ATP-synthase consistent is met de resultaten. Een moleculair mechanisme voor ontkoppeling van ATP-synthese door de dinitrofenolen wordt gepresenteerd en de belangrijkste verschillen tussen koppeling en ontkoppeling in ATP-katalyse worden samengevat. De farmacologische gevolgen van onze analyse van ontkoppeling worden besproken, met bijzondere verwijzing naar het werkingsmechanisme van het antituberculosegeneesmiddel bedaquiline dat specifiek gericht is op de c-subeenheid van de F1FO-ATP-synthase en ontkoppelt ademhaling van ATP-synthese in Mycobacterium tuberculosis. Het werk blijkt dus belangrijk te zijn zowel vanuit het oogpunt van fundamentele biologie als ook zwanger van mogelijkheden voor praktische farmaceutische toepassingen.


De energetica van elektronentransport

Bij de bespreking van de drijvende krachten van elektronentransport hierboven hebben we verwezen naar zowel de vrije energie als de redoxpotentiaal. Voordat we de energieën van de ademhalingsketen in meer detail bekijken, zullen we kort bekijken hoe deze twee fysieke termen zich precies tot elkaar verhouden.

Redoxreacties kunnen worden gecompartimenteerd om een ​​meetbare spanning te produceren

Deze dia illustreert de experimentele opstelling voor het meten van de redoxpotentiaal van een elektronendrager. Linkerpaneel: co-enzym Q onttrekt elektronen aan de standaard waterstofelektrode, waardoor deze per definitie een positieve redoxpotentiaal (Δ E ) krijgt. Rechts: NADH duwt elektronen naar de standaardelektrode, waardoor de Δ E negatief wordt.

In de experimentele opstelling bevinden het molecuul van belang en een referentie-opgeloste stof zich in twee aangrenzende met buffer gevulde kamers. Platina-elektroden worden ondergedompeld in beide oplossingen en verbonden via een voltmeter (V). Terwijl elektronen uit de opgeloste stof in de ene kamer worden onttrokken en aan de andere worden afgegeven, geeft de voltmeter de richting en grootte van het potentiaalverschil aan. Protonen en andere ionen kunnen over een zoutbrug tussen de kamers stromen om de elektroneutraliteit te behouden. Om de stroom van ionen mogelijk te maken maar vermenging van de kamerinhoud door convectie te voorkomen, is dit gat bedekt met een poreus membraan of afgesloten met agar.

De referentie opgeloste stof die gewoonlijk wordt gebruikt in de chemie is H2 , geëquilibreerd met waterstofgas bij 1 atm boven de oplossing. De overeenkomstige geoxideerde vorm, H+, wordt ingesteld op 1 mol/l of pH 0. De ondergedompelde platina-elektrode geleidt niet alleen elektronen, maar dient ook als katalysator voor de onderlinge omzetting tussen H2 en H+.

De potentiaal van een redoxdrager gemeten tegen deze elektrode wordt gedefinieerd als zijn standaard redoxpotentiaal of Δ E 0. Voor biochemische doeleinden wordt de standaard elektrode-oplossing gebufferd bij pH 7 in plaats van pH 0, en de redoxpotentialen die tegen deze elektrode worden gemeten, worden Δ E genoemd. 0 . Een pH van 7 is een even willekeurig referentiepunt als pH 0, maar we houden ons eraan omdat de leerboeken dat ook doen.

De redoxpotentiaal (Δ E ) is evenredig met de vrije energie (Δ G )

G (frac< ekst>< ekst>)
E (frac< ekst>< ekst>)
G = (frac< ekst>< ekst> imes frac< ext>< ekst>)
G = (Delta E imes frac< ext>< ekst>)
daarom
G = (- Delta E imes n imes ext) (6.1)

Uit de vorige dia is het duidelijk dat elektronen spontaan van de ene redox-cofactor naar de andere zullen stromen als de corresponderende Δ E positief is. We weten ook dat reacties spontaan verlopen als hun Δ G negatief is. De twee parameters zijn direct aan elkaar gerelateerd volgens vergelijking 6.1. Een van beide is daarom voldoende om de energetische eigenschappen van de reactie te beschrijven. De reden waarom redoxpotentialen in deze context vaker worden gebruikt, is dat ze directer kunnen worden gemeten dan Δ G .

In de vergelijking is Δ E het verschil in de redoxpotentialen tussen twee cofactoren. De parameter n is het aantal elektronen dat in de reactie wordt overgedragen. NADH voert bijvoorbeeld twee elektronen tegelijk in de keten, wat betekent dat n gelijk is aan twee voor deze reactie. Heem daarentegen accepteert en doneert meestal enkele elektronen, wat betekent dat n = 1. De F in de vergelijking is de constante van Faraday, die ons vertelt hoeveel eenheden van lading worden gedragen door één mol elektronen (96.500 coulombs/mol). 36 Men kan de redoxpotentiaal van een cofactor beschouwen als zijn affiniteit voor elektronen - hoe hoger deze is, hoe sterker de cofactor elektronen zal aantrekken. 37

Redoxpotentialen en vrije energieën in de ademhalingsketen

Deze dia toont de redoxpotentialen en de bijbehorende vrije energieniveaus van enkele geselecteerde elektronendragers in de ademhalingsketen.Het laagste potentieel wordt gevonden bij NAD+, passend bij zijn positie aan het begin van de transportketen. De volgende drager in de reeks, FMN, maakt deel uit van complex I. Het heeft een iets hogere potentiaal dan NADH en kan daarom zijn elektronen opnemen. De redoxpotentiaal neemt continu toe langs de ademhalingsketen om zijn hoogste waarde te bereiken bij zuurstof, die daarom de hoogste affiniteit heeft voor de elektronen en deze mag behouden. Gereduceerde zuurstof, die recombineert met protonen om water op te leveren, is dus het eindproduct van de ademhaling.

De ijzer-zwavelcluster N2, die de laagste positie in complex I inneemt, zoals weergegeven in dia 6.4 , heeft een aanzienlijk hoger potentieel dan de FMN. Deze stap in potentiaal komt overeen met een aanzienlijke hoeveelheid vrije energie die op een bepaald punt binnen complex I vrijkomt als de elektronen er doorheen reizen van FMN naar N2. Complex I gebruikt deze energie om protonen uit het mitochondrion te verdrijven, tegen hun concentratiegradiënt in. Grote stappen in potentiaal die protonuitzetting aansturen, vinden ook plaats binnen complex III en complex IV.

Er vinden slechts kleine potentiaalstappen plaats bij de afgifte van elektronen van complex I naar complex III via co-enzym Q, en tussen complexen III en IV via cytochroom C. Evenzo moeten bij complex II de potentialen van zowel ingangs- als uitgangspunten in het nauwe interval tussen FADH2 en co-enzym Q, wat betekent dat er heel weinig energie vrijkomt als elektronen dit complex doorkruisen. Dergelijke kleine stappen in de redoxpotentiaal zijn voldoende om de elektronen voort te stuwen, maar ze zijn te klein om bij te dragen aan het pompen van protonen.


Experimenteel en computationeel bewijs voor zelfassemblage van mitochondriaal UCP2 in lipidedubbellagen

Ontkoppelingseiwitten (UCP's) zijn leden van de mitochondriale dragerfamilie (MCF) die protonen over het binnenste mitochondriale membraan transporteren, waardoor het elektronentransport wordt ontkoppeld van de ATP-synthese. De stoichiometrie van OHP's en de mogelijkheid van co-existentie van dit eiwit als monomere en geassocieerde vormen in lipidemembranen blijven een intrigerende open vraag. In de huidige studie werd de tertiaire structuur van UCP2 zowel experimenteel als door middel van moleculaire dynamica (MD) -simulaties geanalyseerd. Na recombinante expressie van UCP2 in het binnenmembraan van E coli, werd het eiwit rechtstreeks uit de bacteriële membranen geëxtraheerd met een niet-denaturerend detergens en gezuiverd zowel als een puur monomeer als als een mengsel van monomeren, dimeren en tetrameren. Beide eiwitpreparaten werden opnieuw samengesteld in lipideblaasjes van eidooier. Gelelektroforese, circulair dichroïsme spectroscopie en fluorescentiemethoden werden gebruikt om de structuur en de protontransportfunctie van eiwit te karakteriseren. UCP2 vertoonde unieke stabiele tetramere vormen in lipidedubbellagen. MD-simulaties met behulp van membraanlipiden en hoofdcomponentenanalyse ondersteunen de experimentele resultaten en verschaften nieuwe moleculaire inzichten in de aard van niet-covalente interacties in oligomere UCP2. MD-simulaties geven aan dat UCP2-tetrameren asymmetrische dimeren van dimeren zijn, waarbij de interacties tussen de monomeren die het dimeer vormen sterker zijn dan de interacties tussen de dimeren in het tetrameer. Er is ook aangetoond dat UCP2 een specifieke neiging heeft om functionele tetrameren te vormen in lipidedubbellagen, die in staat zijn tot protonentransport. De asymmetrische aard van het UCP2-tetrameer zou kunnen fungeren als een steiger voor het reguleren van de activiteit van de monomere eenheden door middel van coöperatieve onderlinge communicatie tussen deze subeenheden. Onder vergelijkbare experimentele omstandigheden vormde het structureel vergelijkbare ADP/ATP-dragereiwit geen tetrameren in blaasjes, wat impliceert dat spontane tetramerisatie niet kan worden gegeneraliseerd naar alle MCF-leden.

VERKLARING VAN BELANG Zelfassemblage van membraaneiwitten speelt een belangrijke rol in hun biologische functie. In dit artikel wordt zowel experimenteel als computationeel bewijs geleverd voor spontane tetramerisatie van een van de mitochondriale ontkoppelingseiwitten (UCP2) in lipidemembranen van het model. Er is ook aangetoond dat de tetramere vorm van UCP2 in staat is tot protonentransport, wat leidt tot regulatie van ATP-synthese in mitochondriën. Moleculaire dynamica-simulaties bevestigen de aanwezigheid van asymmetrische UCP2-tetrameren als een mogelijke steiger voor het reguleren van de activiteit van de monomere eenheden door onderlinge onderlinge communicatie. De uitkomst van deze studie biedt een solide basis voor het mogelijk naast elkaar bestaan ​​van monomere en multimere functionele vormen van OHP's die bijdragen aan een dieper moleculair inzicht in hun structuur en functie.


Leiders in Pharmaceutical Business Intelligence (LPBI) Group

De kleuren van ademhaling en elektronentransport

Verslaggever en curator: Larry H. Bernstein, MD, FCAP

Moleculaire biologie van de cel. 4e editie

Na in algemene termen te hebben overwogen hoe een mitochondrion elektronen gebruikt,
transport om een ​​elektrochemische protongradiënt te creëren, moeten we
onderzoekt de mechanismen die ten grondslag liggen aan dit op membraan gebaseerde energieomzettingsproces. Daarmee bereiken we ook een groter doel.
Zoals aan het begin van dit hoofdstuk werd benadrukt, zijn zeer vergelijkbare chemische
osmotische mechanismen worden gebruikt door mitochondriën, chloroplasten, archea,
en bacteriën. In feite liggen deze mechanismen ten grondslag aan de functie van bijna
alle levende organismen - inclusief anaëroben die al hun energie ontlenen
van elektronenoverdrachten tussen twee anorganische moleculen. Het is daarom
nogal vernederend voor wetenschappers om zichzelf eraan te herinneren dat het bestaan
van chemiosmosis is slechts ongeveer 40 jaar erkend.

Overzicht van de elektronentransportketen

We beginnen met een blik op enkele van de principes die ten grondslag liggen aan het elektronentransportproces, met als doel uit te leggen hoe het protonen kan pompen
over een membraan.

Hoewel protonen lijken op andere positieve ionen zoals Na+ en K+
in hun beweging over membranen zijn ze in sommige opzichten uniek.
Waterstofatomen zijn verreweg het meest voorkomende type atoom in het leven
organismen ze zijn er in overvloed, niet alleen in alle koolstofhoudende
biologische moleculen, maar ook in de watermoleculen eromheen
hen. De protonen in water zijn zeer mobiel en flikkeren door de
waterstofgebonden netwerk van watermoleculen snel
dissociëren van een watermolecuul om te associëren met zijn buurman,
zoals geïllustreerd in figuur 14-20A. Van protonen wordt gedacht dat ze over een
eiwitpomp ingebed in een lipide dubbellaag op een vergelijkbare manier: ze
overdracht van de ene aminozuurzijketen naar de andere, na a
speciaal kanaal door het eiwit.

Protonen zijn ook bijzonder met betrekking tot elektronentransport. wanneer dan ook
een molecuul wordt gereduceerd door een elektron te verwerven, het elektron (e -) brengt
daarmee een negatieve lading. In veel gevallen is deze lading snel
geneutraliseerd door toevoeging van een proton (H+) uit water, zodat
het netto-effect van de reductie is om een ​​volledig waterstofatoom over te dragen,
H+ + e – (Figuur 14-20B). Evenzo, wanneer een molecuul wordt geoxideerd,
een waterstofatoom dat eruit is verwijderd, kan gemakkelijk worden gedissocieerd in
zijn samenstellende elektron en proton - waardoor het elektron kan
afzonderlijk worden overgebracht naar een molecuul dat elektronen accepteert,
terwijl het proton aan het water wordt doorgegeven. Daarom, in een membraan
waarin elektronen langs een elektronentransport worden geleid
keten, waarbij protonen van de ene kant van het membraan naar
een ander kan relatief eenvoudig zijn. De elektronendrager alleen
moet zodanig in het membraan worden gerangschikt dat het
een proton oppakken van de ene kant van het membraan wanneer het accepteert
een elektron, en om het proton aan de andere kant van de
membraan als het elektron wordt doorgegeven aan het volgende dragermolecuul
in de ketting (Figuur 14-21).

protonen gepompt over membranen ch14f21

Hoe protonen over membranen kunnen worden gepompt. Als een elektron
passeert langs een elektronentransportketen ingebed in een lipide-dubbellaag
membraan, kan het bij elke stap een proton binden en afgeven.
In dit diagram pakt elektronendrager B een proton (H+) op
van één (meer…)

Het redoxpotentieel is een maat voor elektronenaffiniteiten

Bij biochemische reacties worden alle elektronen verwijderd uit één
molecuul worden altijd doorgegeven aan een ander, zodat wanneer er een
molecuul wordt geoxideerd, een ander wordt gereduceerd. Net als elke andere chemische r
reactie, de neiging van dergelijke oxidatie-reductiereacties, of
redoxreacties, om spontaan te verlopen, hangt af van de vrije
energieverandering (ΔG) voor de elektronenoverdracht, die op zijn beurt
hangt af van de relatieve affiniteiten van de twee moleculen voor elektronen.

Omdat elektronenoverdrachten de meeste energie leveren om te leven
dingen, is het de moeite waard om de tijd te nemen om ze te begrijpen. Veel
lezers zijn al bekend met zuren en basen die doneren
en accepteer protonen (zie Paneel 2-2, pp. 112-113). Zuren en basen
bestaan ​​in geconjugeerde zuur-basenparen, waarin het zuur gemakkelijk
omgezet in de basis door het verlies van een proton. Bijvoorbeeld,
azijnzuur (CH3COOH) wordt omgezet in zijn geconjugeerde base
(CH3COO-) in de reactie:

Op precies dezelfde manier kunnen paren van verbindingen zoals NADH en
NAD+ worden redox-paren genoemd, omdat NADH wordt omgezet in NAD+
door het verlies van elektronen in de reactie:

NADH is een sterke elektronendonor: omdat de elektronen worden vastgehouden
in een hoge-energetische koppeling, de vrije-energieverandering voor het doorgeven van zijn
elektronen naar veel andere moleculen gunstig is (zie figuur 14.9).
Het is moeilijk om een ​​hoogenergetische koppeling te vormen. Daarom is het redox
partner, NAD+, is noodzakelijkerwijs een zwakke elektronenacceptor.

De neiging om elektronen over te dragen van een willekeurig redoxpaar kan zijn:
experimenteel gemeten. Het enige dat nodig is, is de formatie
van een elektrisch circuit dat een 1:1 (equimolair) mengsel van de
redox-paar naar een tweede redox-paar dat willekeurig is geselecteerd
als referentiestandaard, zodat het spanningsverschil kan worden gemeten;
tussen hen in (Panel 14-1, p. 784). Dit spanningsverschil is
gedefinieerd als de redoxpotentiaal zoals gedefinieerd, elektronen bewegen
spontaan uit een redoxpaar zoals NADH/NAD+ met een lage
redoxpotentiaal (een lage affiniteit voor elektronen) tot een redoxpaar zoals
O2/H2O met een hoge redoxpotentiaal (een hoge affiniteit voor elektronen).
NADH is dus een goed molecuul voor het doneren van elektronen aan de
ademhalingsketen, terwijl O2 zeer geschikt is om te fungeren als de "sink" voor
elektronen aan het einde van de baan. Zoals uitgelegd in deelvenster 14-1,
het verschil in redoxpotentiaal, ΔE0′, is een directe maat voor
de standaard vrije-energieverandering (ΔG°) voor de overdracht van een
elektron van het ene molecuul naar het andere.

Elektronenoverdrachten geven grote hoeveelheden energie vrij

Zoals zojuist besproken, die paren van verbindingen met de meest negatieve
redoxpotentialen hebben de zwakste affiniteit voor elektronen en daarom
bevatten dragers met de sterkste neiging om elektronen af ​​te staan.
Omgekeerd, die paren die de meest positieve redoxpotentialen hebben
hebben de sterkste affiniteit voor elektronen en bevatten daarom dragers
met de sterkste neiging om elektronen te accepteren. Een 1:1 mengsel van NADH
en NAD+ heeft een redoxpotentiaal van -320 mV, wat aangeeft dat NADH
een sterke neiging om elektronen te doneren een 1:1 mengsel van H2O en ½O2
heeft een redoxpotentiaal van +820 mV, wat aangeeft dat O2 een sterke
neiging om elektronen te accepteren. Het verschil in redoxpotentiaal is
1,14 volt (1140 mV), wat betekent dat de overdracht van elk elektron
van NADH naar O2 onder deze standaardomstandigheden is enorm
gunstig, waarbij ΔG° = -26,2 kcal/mol (-52,4 kcal/mol voor de twee)
elektronen overgedragen per NADH-molecuul zie Panel 14-1). Als wij
vergelijk deze vrije-energieverandering met die voor de vorming van de
fosfoanhydride bindingen in ATP (ΔG° = -7,3 kcal/mol, zie figuur 2-75), we zien dat er meer dan genoeg energie vrijkomt bij de oxidatie
van één NADH-molecuul om verschillende ATP-moleculen te synthetiseren
ADP en Pi.

Fosfaatafhankelijkheid van pyruvaatoxidatie

Levende systemen zouden zeker enzymen kunnen hebben ontwikkeld die dat wel zouden doen
laat NADH elektronen direct doneren aan O2 om water te maken in de reactie:

Maar vanwege de enorme vrije-energiedaling zou deze reactie doorgaan
met bijna explosieve kracht en bijna alle energie zou vrijkomen
als warmte. Cellen voeren deze reactie wel uit, maar ze laten het veel verder gaan
geleidelijker door de hoogenergetische elektronen van NADH naar
O2 via de vele elektronendragers in de elektronentransportketen.
Omdat elke volgende drager in de keten zijn elektronen meer vasthoudt
strak, de zeer energetisch gunstige reactie 2H+ + 2e – + ½O2
→ H2O ontstaat in veel kleine stapjes. Hierdoor kan bijna de helft
van de vrijgekomen energie op te slaan, in plaats van verloren te gaan aan de
omgeving als warmte.

Spectroscopische methoden zijn gebruikt om veel elektronen te identificeren
Dragers in de ademhalingsketen

Veel van de elektronendragers in de ademhalingsketen absorberen zichtbaar
licht en veranderen van kleur wanneer ze worden geoxideerd of gereduceerd. In het algemeen,
elk heeft een absorptiespectrum en reactiviteit die duidelijk genoeg zijn
om zijn gedrag spectroscopisch te kunnen volgen, zelfs in ruwe mengsels.
Het was daarom mogelijk om deze componenten te zuiveren lang voordat hun
exacte functies waren bekend. Zo werden de cytochromen ontdekt
in 1925 als verbindingen die snelle oxidatie en reductie ondergaan in
levende organismen die zo verschillend zijn als bacteriën, gisten en insecten. door te observeren
cellen en weefsels met een spectroscoop, drie soorten cytochromen waren
geïdentificeerd door hun onderscheidende absorptiespectra en aangeduid als
cytochromen a, b en c. Deze nomenclatuur is bewaard gebleven, hoewel
Van cellen is nu bekend dat ze verschillende cytochromen van elk type bevatten en
de indeling in typen is niet functioneel van belang.

De cytochromen vormen een familie van gekleurde eiwitten die
gerelateerd door de aanwezigheid van een gebonden heemgroep, waarvan het ijzeratoom
veranderingen van de ijzer-oxidatietoestand (Fe3+) naar de ferro-oxidatie
toestand (Fe2+) wanneer het een elektron accepteert. De heemgroep bestaat uit
van een porfyrinering met een stevig gebonden ijzeratoom vastgehouden door vier stikstofatomen
atomen op de hoeken van een vierkant (Figuur 14-22). Een soortgelijke porfyrinering
is verantwoordelijk voor de rode kleur van bloed en voor de groene kleur van
bladeren, gebonden aan ijzer in hemoglobine en aan magnesium in
chlorofyl, respectievelijk.

De structuur van de heemgroep covalent gehecht aan cytochroom c ch14f22

Afbeelding 14-22. De structuur van de heemgroep covalent gehecht
naar cytochroom c.

De structuur van de heemgroep covalent gehecht aan cytochroom c.
De porfyrinering is blauw weergegeven. Er zijn vijf verschillende
cytochromen in de ademhalingsketen. Omdat de hemes in verschillende
cytochromen hebben iets andere structuren en (more…)

IJzer-zwavel-eiwitten zijn een tweede grote familie van elektronendragers. In deze
eiwitten, ofwel twee of vier ijzeratomen zijn gebonden aan een gelijk aantal
zwavelatomen en cysteïnezijketens, die een ijzer-zwavelcentrum vormen
op het eiwit (Figuur 14-23). Er zijn meer ijzer-zwavelcentra dan
cytochromen in de ademhalingsketen. Maar hun spectroscopische detectie
vereist elektronenspinresonantie (ESR) spectroscopie, en ze zijn minder
volledig gekarakteriseerd. Net als de cytochromen dragen deze centra er een
elektron tegelijk.

structuur van ijzerzwavelcentra ch14f23

Afbeelding 14-23. De structuren van twee soorten ijzer-zwavelcentra.

De structuren van twee soorten ijzer-zwavelcentra. (A) Een centrum van de
2Fe2S-type. (B) Een centrum van het 4Fe4S-type. Hoewel ze bevatten:
meerdere ijzeratomen, elk ijzer-zwavelcentrum kan er maar één dragen
elektron tegelijk. Er zijn meer dan zeven verschillende (meer'8230)

De eenvoudigste van de elektronendragers in de ademhalingsketen - en
de enige die geen deel uitmaakt van een eiwit, is een kleine hydrofobe
molecuul dat vrij mobiel is in de lipidedubbellaag die bekend staat als ubiquinon,
of co-enzym Q. Een chinon (Q) kan een van beide oppikken of doneren
twee elektronen bij reductie, neemt het een proton op uit het medium
samen met elk elektron dat het draagt ​​(Figuur 14-24).

chinon-elektronendragers ch14f24

Afbeelding 14-24. Chinon-elektronendragers.

Chinon-elektronendragers. Ubiquinon in de ademhalingsketen kiest
een H+ hoger uit de waterige omgeving voor elk elektron dat het accepteert,
en het kan één of twee elektronen dragen als onderdeel van een waterstofatoom
(geel). Wanneer verlaagd ubiquinon doneert (meer'8230)

Naast zes verschillende hemes gekoppeld aan cytochromen, meer dan
zeven ijzer-zwavelcentra, en ubiquinon, zijn er ook twee koper
atomen en een flavine die dienen als elektronendragers die stevig gebonden zijn aan eiwitten van de ademhalingsketen in de route van NADH naar zuurstof. Dit pad
omvat in totaal meer dan 60 verschillende eiwitten.

Zoals je zou verwachten, hebben de elektronendragers steeds hogere
affiniteiten voor elektronen (grotere redoxpotentialen) als men zich voortbeweegt
de ademhalingsketen. De redoxpotentialen zijn verfijnd
tijdens de evolutie door de binding van elke elektronendrager in een bepaalde
eiwitcontext, die de normale affiniteit voor elektronen kan veranderen. Echter,
omdat ijzer-zwavelcentra een relatief lage affiniteit voor elektronen hebben,
ze overheersen daarentegen in het vroege deel van de ademhalingsketen,
verderop in de keten overheersen de cytochromen, waar een hogere
affiniteit voor elektronen is vereist.

De volgorde van de individuele elektronendragers in de keten was
bepaald door geavanceerde spectroscopische metingen (Figuur 14-25),
en veel van de eiwitten werden aanvankelijk geïsoleerd en gekarakteriseerd als
individuele polypeptiden. Een grote vooruitgang in het begrijpen van de
ademhalingsketen was echter het latere besef dat de meeste
de eiwitten zijn georganiseerd in drie grote enzymcomplexen.

pad van elektronen ch14f25

Afbeelding 14-25. De algemene methoden die worden gebruikt om het pad van te bepalen
elektronen langs een elektronentransportketen.

De algemene methoden die worden gebruikt om het pad van elektronen te bepalen
een elektronentransportketen. De mate van oxidatie van elektron
dragers a, b, c en d worden continu gecontroleerd door hun
verschillende spectra, die verschillen in hun geoxideerde en (meer'8230)

De ademhalingsketen omvat drie grote enzymcomplexen
Ingebed in het binnenmembraan

Membraaneiwitten zijn moeilijk te zuiveren als intacte complexen
omdat ze onoplosbaar zijn in waterige oplossingen, en sommige
de reinigingsmiddelen die nodig zijn om ze op te lossen, kunnen normaal vernietigen
eiwit-eiwit interacties. In het begin van de jaren zestig was het echter
bleek dat relatief milde ionische detergentia, zoals deoxycholaat,
kan geselecteerde componenten van de binnenste mitochondriale oplossen
membraan in hun oorspronkelijke vorm. Dit maakte de identificatie mogelijk
en zuivering van de drie belangrijkste membraangebonden luchtwegen
enzymcomplexen in de route van NADH naar zuurstof (Figuur 14-26).
Zoals we in deze sectie zullen zien, werkt elk van deze complexen als een
elektronentransport-aangedreven H+ pomp waren echter
aanvankelijk gekenmerkt in termen van de elektronendragers die
ze werken samen met en bevatten:

mitochondriale oxidatieve fosforylering

Afbeelding 14-26. Het pad van elektronen door de drie luchtwegen
enzym complexen.

Het pad van elektronen door de drie ademhalingsenzymcomplexen.
De relatieve grootte en vorm van elk complex worden getoond. Tijdens de
overdracht van elektronen van NADH naar zuurstof (rode lijnen), ubiquinon
en cytochroom c dienen als mobiele vervoerders die veerboot (more…)

Het NADH-dehydrogenasecomplex (algemeen bekend als complex I)
is de grootste van de respiratoire enzymcomplexen en bevat meer
dan 40 polypeptideketens. Het accepteert elektronen van NADH en
passeert ze door een flavine en ten minste zeven ijzerzwavelcentra
naar ubiquinon. Ubiquinon draagt ​​vervolgens zijn elektronen over naar een seconde
ademhalingsenzymcomplex, het cytochroom b-c1-complex.

Het cytochroom b-c1-complex bevat minstens 11 verschillende
polypeptideketens en functioneert als een dimeer. Elk monomeer
bevat drie hemes gebonden aan cytochromen en een ijzerzwavel
eiwit. Het complex accepteert elektronen van ubiquinon
en geeft ze door aan cytochroom c, dat zijn elektron draagt
aan het cytochroomoxidasecomplex.

Het cytochroomoxidasecomplex functioneert ook elk als een dimeer
monomeer bevat 13 verschillende polypeptideketens, waaronder twee
cytochromen en twee koperatomen. Het complex accepteert één elektron
tegelijk van cytochroom c en geeft ze vier tegelijk door aan zuurstof.

De cytochromen, ijzer-zwavelcentra en koperatomen kunnen
slechts één elektron tegelijk. Toch doneert elke NADH twee elektronen,
en elk O2-molecuul moet vier elektronen ontvangen om water te produceren.
Er zijn verschillende elektronenverzamelende en elektronenverstrooiende punten
langs de elektronentransportketen waar deze veranderingen in elektronen
aantal zijn ondergebracht. De meest voor de hand liggende hiervan is cytochroom
oxidase.

Een ijzer-kopercentrum in cytochroomoxidase katalyseert efficiënt
O2-reductie

Omdat zuurstof een hoge affiniteit heeft voor elektronen, geeft het een
grote hoeveelheid vrije energie wanneer deze wordt gereduceerd tot water.
Dus de evolutie van cellulaire ademhaling, waarin O2 is
omgezet in water, stelden organismen in staat om veel meer te benutten
energie dan uit het anaërobe metabolisme kan worden gehaald. Dit
is vermoedelijk de reden waarom alle hogere organismen ademen. het vermogen van
biologische systemen om O2 op deze manier te gebruiken, vereist echter een
zeer geavanceerde chemie. We kunnen O2 in de lucht tolereren we
ademen omdat het moeite heeft om zijn eerste elektron op te pikken dit
maakt het mogelijk om de eerste reactie in cellen nauwkeurig te controleren door
enzymatische katalyse. Maar zodra een O2-molecuul er een heeft opgepikt
elektron om een ​​superoxideradicaal (O2 -) te vormen, wordt het gevaarlijk
reactief en neemt snel drie extra elektronen op waar dan ook
het kan ze vinden. De cel kan O2 alleen gebruiken voor ademhaling omdat:
cytochroomoxidase houdt zuurstof vast op een speciaal bimetaal
midden, waar het geklemd blijft tussen een aan heem gebonden ijzer
atoom en een koperatoom totdat het in totaal vier elektronen heeft opgenomen.
Alleen dan kunnen de twee zuurstofatomen van het zuurstofmolecuul
veilig vrijgegeven als twee moleculen water (Figuur 14-27).

Afbeelding 14-27. De reactie van O2 met elektronen in cytochroomoxidase.

De reactie van O2 met elektronen in cytochroomoxidase. Zoals aangegeven,
het ijzeratoom in heem a dient als een elektronenwachtrijpunt dit
heem voedt vier elektronen in een O2-molecuul dat wordt vastgehouden op de bimetaal
centrum actieve site, die wordt gevormd door de andere (more…)

De cytochroomoxidasereactie is naar schatting verantwoordelijk voor 90%
van de totale zuurstofopname in de meeste cellen. Dit eiwitcomplex is
daarom cruciaal voor al het aerobe leven. Cyanide en azide zijn extreem
giftig omdat ze stevig binden aan het cytochroomoxidase van de cel
complexen om het elektronentransport te stoppen, waardoor de
ATP-productie.

Hoewel het cytochroomoxidase bij zoogdieren 13
verschillende eiwitsubeenheden, waarvan de meeste een dochteronderneming lijken te hebben
rol, die helpt bij het reguleren van de activiteit of de assemblage van de
drie subeenheden die de kern van het enzym vormen. Het complete
structuur van dit grote enzymcomplex is onlangs bepaald
door röntgenkristallografie, zoals geïllustreerd in figuur 14-28. de atomaire
resolutiestructuren, gecombineerd met mechanistische studies van het effect
van precies op maat gemaakte mutaties die door genetische
engineering van de gist en bacteriële eiwitten, onthullen de
gedetailleerde mechanismen van deze fijn afgestemde eiwitmachine.

Afbeelding 14-28. De moleculaire structuur van cytochroomoxidase.

De moleculaire structuur van cytochroomoxidase. Dit eiwit
is een dimeer gevormd uit een monomeer met 13 verschillende eiwitten
subeenheden (monomeermassa van 204.000 dalton). De drie kleuren
subeenheden worden gecodeerd door het mitochondriale genoom, en ze
vormen de functionele (meer…)

Elektronenoverdrachten worden bemiddeld door willekeurige botsingen in
het binnenste mitochondriale membraan

De twee componenten die elektronen dragen tussen de drie
belangrijke enzymcomplexen van de ademhalingsketen - ubiquinon
en cytochroom c - diffundeert snel in het vlak van de binnenste
mitochondriaal membraan. Het verwachte aantal willekeurige botsingen
tussen deze mobiele providers en de langzamer verspreidende
enzymcomplexen kunnen verantwoordelijk zijn voor de waargenomen elektronensnelheden
overdracht (elk complex doneert en ontvangt ongeveer een elektron)
eenmaal per 5-20 milliseconden). Het is dus niet nodig om te postuleren
een structureel geordende keten van elektronenoverdrachtseiwitten in de
lipide dubbellaag inderdaad, de drie enzymcomplexen lijken te bestaan ​​als:
onafhankelijke entiteiten in het vlak van het binnenmembraan, zijnde:
aanwezig in verschillende verhoudingen in verschillende mitochondriën.

De geordende overdracht van elektronen langs de ademhalingsketen
is volledig te wijten aan de specificiteit van de functionele interacties
tussen de componenten van de keten: elke elektronendrager is
in staat om alleen te communiceren met de drager die ernaast in de reeks staat
weergegeven in Afbeelding 14-26, zonder kortsluiting.

Elektronen bewegen tussen de moleculen die ze naar binnen dragen
biologische systemen niet alleen door langs covalente bindingen te bewegen
binnen een molecuul, maar ook door over een zo groot gat te springen
als 2nm. De sprongen vinden plaats door elektronen "tunneling", een kwantum-
mechanische eigenschap die cruciaal is voor de processen die we zijn
bespreken. Isolatie is nodig om kortsluiting te voorkomen die
zou anders optreden wanneer een elektronendrager met een lage redox
potentiaal botst met een drager met een hoge redoxpotentiaal. Dit
isolatie lijkt te worden geleverd door een elektron diep te dragen
genoeg in een eiwit om zijn tunneling-interacties te voorkomen
met een ongepaste partner.

Hoe de veranderingen in redoxpotentiaal van één elektronendrager?
naar de volgende worden gebruikt om protonen uit de mitochondriën te pompen
matrix is ​​het onderwerp dat we hierna bespreken.

Een grote daling van het redoxpotentieel over elk van de drie luchtwegen
Enzymcomplexen leveren de energie voor H+ pompen

We hebben eerder besproken hoe het redoxpotentieel reflecteert
elektronenaffiniteiten (zie p. 783). Een overzicht van de redoxpotentialen
gemeten langs de ademhalingsketen wordt getoond in figuur 14-29.
Deze potentialen dalen in drie grote stappen, één over elke major
ademhalingscomplex. De verandering in redoxpotentiaal tussen any
twee elektronendragers is recht evenredig met de vrije energie
vrijkomt wanneer een elektron tussen hen overgaat. elk enzym
complex fungeert als een apparaat voor energieconversie door gebruik te maken van een aantal
van deze verandering van vrije energie om H+ door het binnenmembraan te pompen,
waardoor een elektrochemische protongradiënt ontstaat als elektronen
door dat complex gaan. Deze conversie kan worden aangetoond
door elk ademhalingsenzymcomplex te zuiveren en op te nemen
het afzonderlijk in liposomen: wanneer een geschikte elektronendonor
en acceptor worden toegevoegd zodat elektronen door het complex kunnen gaan,
H+ wordt getransloceerd over het liposoommembraan.

Afbeelding 14-29. Redoxpotentiaalveranderingen langs de mitochondriale
elektronentransportketen.

Redoxpotentiaalveranderingen langs het mitochondriale elektronentransport
ketting. De redoxpotentiaal (aangeduid met E′0) neemt toe naarmate elektronen
door de ademhalingsketen naar zuurstof stromen. De standaard gratis energie
wisselgeld, ΔG°, voor de overboeking (meer…)

Het mechanisme van H+ pompen zal binnenkort worden begrepen in
Atoomdetails

Sommige ademhalingsenzymcomplexen pompen één H+ per elektron
over het binnenste mitochondriale membraan, terwijl andere pompen
twee. Het gedetailleerde mechanisme waarmee elektronentransport is gekoppeld
naar H+ pompen is verschillend voor de drie verschillende enzymcomplexen.
In het cytochroom b-c1-complex spelen de chinonen duidelijk een rol.
Zoals eerder vermeld, neemt een chinon een H+ op uit de waterige
medium samen met elk elektron dat het draagt ​​en bevrijdt het wanneer het
geeft het elektron vrij (zie figuur 14-24). Aangezien ubiquinon vrij is
mobiel in de lipide dubbellaag, kan het elektronen in de buurt van de binnenkant accepteren
oppervlak van het membraan en doneren ze aan het cytochroom b-c1
complex nabij het buitenoppervlak, waardoor één H+ . wordt overgedragen
over de dubbellaag voor elk getransporteerd elektron. Twee protonen zijn
gepompt per elektron in het cytochroom b-c1 complex, en
er is goed bewijs voor een zogenaamde Q-cyclus, waarbij ubiquinon
wordt op een geordende manier door het complex gerecycled waardoor dit
twee-op-een overdracht mogelijk. Hoe dit precies gebeurt, kan nu zijn
uitgewerkt op atomair niveau, omdat de volledige structuur van
het cytochroom b-c1-complex is bepaald met röntgenstraling
kristallografie (Figuur 14-30).

Afbeelding 14-30. De atomaire structuur van cytochroom bc 1.

De atomaire structuur van cytochroom b-c 1. Dit eiwit is een dimeer.
Het monomeer van 240.000 dalton is samengesteld uit 11 verschillende eiwitten
moleculen bij zoogdieren. De drie gekleurde eiwitten vormen de
functionele kern van het enzym: cytochroom b (groen), cytochroom (meer…)

Allosterische veranderingen in eiwitconformaties aangedreven door elektronen
transport kan ook H+ pompen, net zoals H+ wordt gepompt wanneer ATP
wordt gehydrolyseerd door het ATP-synthase dat in omgekeerde richting loopt. Voor zowel de
NADH-dehydrogenasecomplex en het cytochroomoxidasecomplex,
het lijkt waarschijnlijk dat elektronentransport sequentiële allosterische aanstuurt
veranderingen in de eiwitconformatie die een deel van het eiwit veroorzaken
om H+ door het mitochondriale binnenmembraan te pompen. Een generaal
mechanisme voor dit type H+ pompen wordt weergegeven in figuur 14-31.

Afbeelding 14-31. Een algemeen model voor H+ pompen.

Een algemeen model voor H+ pompen. Dit model voor H+ pompen:
door een transmembraaneiwit is gebaseerd op mechanismen die
waarvan wordt gedacht dat het wordt gebruikt door zowel cytochroomoxidase als door licht aangestuurd
prokaryotische protonpomp, bacteriorodopsine. het eiwit
wordt doorgereden (meer…)

H+ Ionoforen ontkoppelen elektronentransport van ATP-synthese

Sinds de jaren veertig zijn verschillende stoffen, zoals 2,4-dinitrofenol,
waarvan bekend is dat ze werken als ontkoppelingsmiddelen, ontkoppelingselektronen
transport van ATP-synthese. De toevoeging van deze organische verbindingen met een laag molecuulgewicht aan cellen stopt de ATP-synthese door mitochondriën
zonder de opname van zuurstof te blokkeren. In aanwezigheid van een
ontkoppelingsmiddel, elektronentransport en H+ pompen gaan door op
een hoge snelheid, maar er wordt geen H+-gradiënt gegenereerd. De verklaring voor
dit effect is zowel eenvoudig als elegant: ontkoppelingsmiddelen zijn lipide-
oplosbare zwakke zuren die werken als H+ dragers (H+ ionoforen), en
ze bieden een pad voor de stroom van H + door de binnenste mitochondriale
membraan dat het ATP-synthase omzeilt. Als gevolg van deze korte
circuit, wordt de proton-aandrijfkracht volledig gedissipeerd, en
ATP kan niet meer gemaakt worden.

Ademhalingsregeling beperkt normaal gesproken de elektronenstroom
Door de keten

Wanneer een ontkoppelaar zoals dinitrofenol aan cellen wordt toegevoegd,
mitochondriën verhogen hun zuurstofopname aanzienlijk omdat
van een verhoogde snelheid van elektronentransport. Deze stijging weerspiegelt
het bestaan ​​van respiratoire controle. Er wordt gedacht dat de besturing
werken via een directe remmende invloed van het elektrochemische proton
gradiënt op de snelheid van elektronentransport. Wanneer het verloop is
ingestort door een ontkoppelaar, is het elektronentransport vrij om ongecontroleerd te verlopen
tegen het maximale tarief. Naarmate de gradiënt toeneemt, wordt het elektronentransport
wordt moeilijker en het proces vertraagt. Bovendien, als een
kunstmatig grote elektrochemische protongradiënt is experimenteel
gecreëerd over het binnenmembraan, normaal elektronentransport
stopt volledig, en een omgekeerde elektronenstroom kan worden gedetecteerd in
sommige delen van de ademhalingsketen. Deze observatie suggereert:
dat respiratoire controle een eenvoudig evenwicht weerspiegelt tussen de
vrije-energieverandering voor aan elektronentransport gekoppeld protonenpompen
en de vrije-energieverandering voor elektronentransport - dat wil zeggen, de
grootte van de elektrochemische protongradiënt beïnvloedt beide
de snelheid en de richting van elektronentransport, net zoals het van invloed is
de directionaliteit van het ATP-synthase (zie figuur 14-19).

Ademhalingscontrole is slechts een onderdeel van een uitgebreide interlocking
systeem van feedbackcontroles die de glycolysesnelheden coördineren,
vetzuurafbraak, de citroenzuurcyclus en elektronentransport.
De snelheden van al deze processen worden aangepast aan de ATP:ADP-verhouding,
toenemen wanneer een verhoogd gebruik van ATP de ratio veroorzaakt
vallen. Het ATP-synthase in het binnenste mitochondriale membraan,
werkt bijvoorbeeld sneller als de concentraties van zijn substraten
ADP en Pi nemen toe. Naarmate het versnelt, laat het enzym meer H+ stromen
in de matrix en dissipeert daardoor het elektrochemische proton
gradiënt sneller. De dalende gradiënt verbetert op zijn beurt de
snelheid van elektronentransport.

Vergelijkbare controles, waaronder feedbackremming van verschillende belangrijke enzymen
door ATP, handelen om de snelheden van NADH-productie aan te passen aan de snelheid van
NADH-gebruik door de ademhalingsketen, enzovoort. Als gevolg van
door deze vele controlemechanismen oxideert het lichaam vetten en suikers
5-10 keer sneller tijdens een periode van zware inspanning dan
tijdens een rustperiode.

Natuurlijke ontkoppelaars zetten de mitochondriën in bruin vet om in
Warmtegenererende machines

In sommige gespecialiseerde vetcellen is mitochondriale ademhaling normaal gesproken
losgekoppeld van ATP-synthese. In deze cellen, bekend als bruin vet,
cellen, wordt het grootste deel van de oxidatie-energie eerder als warmte gedissipeerd
dan omgezet in ATP. De binnenste membranen van de grote
mitochondriën in deze cellen bevatten een speciaal transporteiwit dat
laat protonen hun elektrochemische gradiënt afdalen, door
passeren van ATP-synthase. Als gevolg hiervan oxideren de cellen hun vetopslag
in een snel tempo en produceren meer warmte dan ATP. Weefsels met
bruin vet dient als "verwarmingskussens", waardoor dieren in winterslaap weer tot leven worden gewekt
en om gevoelige gebieden van pasgeboren menselijke baby's te beschermen tegen de kou.

Bacteriën maken ook gebruik van chemiosmotische mechanismen om energie te benutten

Bacteriën gebruiken enorm diverse energiebronnen. Sommige, zoals dieren
cellen, zijn aëroob, ze synthetiseren ATP uit suikers waarin ze oxideren
CO2 en H2O door glycolyse, de citroenzuurcyclus en een luchtwegen
keten in hun plasmamembraan die vergelijkbaar is met die in de
binnenste mitochondriale membraan. Anderen zijn strikt anaëroben, afgeleid van
hun energie ofwel uit glycolyse alleen (door fermentatie) of uit een
elektronentransportketen die gebruik maakt van een ander molecuul dan zuurstof
als de uiteindelijke elektronenacceptor. De alternatieve elektronenacceptor kan
een stikstofverbinding zijn (nitraat of nitriet), een zwavelverbinding
(sulfaat of sulfiet), of een koolstofverbinding (fumaraat of carbonaat),
bijvoorbeeld. De elektronen worden naar deze acceptoren overgebracht door a
reeks elektronendragers in het plasmamembraan die vergelijkbaar zijn
voor die in mitochondriale ademhalingsketens.

Ondanks deze diversiteit is het plasmamembraan van de overgrote meerderheid van
bacteriën bevatten een ATP-synthase dat erg lijkt op dat in
mitochondriën. Bij bacteriën die een elektronentransportketen gebruiken om
oogstenergie, het elektronentransport pompt H+ de cel uit en
vestigt daardoor een proton-aandrijvende kracht over het plasmamembraan
die de ATP-synthase aandrijft om ATP te maken. Bij andere bacteriën is de
ATP-synthase werkt omgekeerd, met behulp van de ATP geproduceerd door glycolyse
om H+ te pompen en een protongradiënt over het plasma tot stand te brengen
membraan. De ATP die voor dit proces wordt gebruikt, wordt gegenereerd door:
fermentatieprocessen (besproken in hoofdstuk 2).

Zo behouden de meeste bacteriën, inclusief de strikte anaëroben, een proton
gradiënt over hun plasmamembraan. Het kan worden gebruikt om te rijden
een flagellaire motor, en het wordt gebruikt om Na+ uit de bacterie te pompen via
een Na+-H+ antiporter die de plaats inneemt van de Na+-K+ pomp van
eukaryote cellen. Deze gradiënt wordt ook gebruikt voor het actieve binnenwaartse transport
van voedingsstoffen, zoals de meeste aminozuren en veel suikers: elke voedingsstof is
samen met een of meer H+ door een specifieke symporter de cel in gesleept
(Figuur 14-32). In dierlijke cellen daarentegen vindt het meeste inwaartse transport over
het plasmamembraan wordt aangedreven door de Na+-gradiënt die tot stand wordt gebracht door de
Na+-K+ pomp.

Afbeelding 14-32. Het belang van H+-gedreven transport in bacteriën.

Het belang van H+-gedreven transport in bacteriën. Een proton-aandrijvende kracht
gegenereerd over het plasmamembraan pompt voedingsstoffen de cel in en
verdrijft Na+. (A) In een aerobe bacterie, een elektrochemische protongradiënt
over het plasmamembraan wordt geproduceerd (meer…)

Sommige ongewone bacteriën hebben zich aangepast om in een zeer alkalische omgeving te leven
omgeving en toch hun cytoplasma op een fysiologisch niveau moeten houden
pH. Voor deze cellen is elke poging om een ​​elektrochemisch H+
gradiënt zou worden tegengewerkt door een grote H+ concentratiegradiënt in
verkeerde richting (H+ hoger binnen dan buiten). vermoedelijk voor
daarom vervangen sommige van deze bacteriën Na+ voor H+ in al hun
chemomotische mechanismen. De ademhalingsketen pompt Na+ uit
de cel, de transportsystemen en de flagellaire motor worden aangedreven door een
inwaartse flux van Na+, en een Na+-aangedreven ATP-synthase synthetiseert
ATP. Het bestaan ​​van dergelijke bacteriën toont aan dat het principe:
van chemiosmosis is fundamenteler dan de proton-aandrijvende kracht
waarop het normaal gebaseerd is.

De ademhalingsketen in het binnenste mitochondriale membraan bevat:
drie respiratoire enzymcomplexen waardoor elektronen passeren
hun weg van NADH naar O2.

Elk van deze kan worden gezuiverd, ingebracht in synthetische lipideblaasjes,
en vervolgens aangetoond dat het H+ pompt wanneer er elektronen doorheen worden getransporteerd.
In het intacte membraan zijn de mobiele elektronendragers ubiquinon en
cytochroom c voltooit de elektronentransportketen door te pendelen tussen
de enzymcomplexen. Het pad van de elektronenstroom is NADH → NADH
dehydrogenasecomplex → ubiquinon → cytochroom b-c1-complex →
cytochroom c → cytochroomoxidasecomplex → moleculaire zuurstof (O2).

De respiratoire enzymcomplexen koppelen de energetisch gunstige
transport van elektronen naar het pompen van H+ uit de matrix. De
resulterende elektrochemische protongradiënt wordt gebruikt om ATP . te maken
door een ander transmembraaneiwitcomplex, ATP-synthase, via
waarbij H+ terugstroomt in de matrix. De ATP-synthase is een omkeerbare
koppelinrichting die normaal gesproken een terugstroom van H+ omzet in ATP
fosfaatbindingsenergie door de reactie ADP + Pi → ATP te katalyseren,
maar het kan ook in de tegenovergestelde richting werken en ATP hydrolyseren tot
pomp H+ als de elektrochemische protongradiënt voldoende is verminderd.
Zijn universele aanwezigheid in mitochondriën, chloroplasten en prokaryoten
getuigt van het centrale belang van chemiosmotische mechanismen in cellen.

In overleg met de uitgever is dit boek toegankelijk via de zoekfunctie
functie, maar kan niet worden doorzocht.

Copyright © 2002, Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis,
Martin Raff, Keith Roberts en Peter Walter Copyright © 1983, 1989,
1994 Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis, Martin Raff, Keith
Roberts en James D. Watson.


Referenties

Cinti, S.Obesitas, diabetes type 2 en het vetorgaan: een beeldatlas van onderzoek tot klinische toepassingen 1e edn (Springer, 2017).

Wu, J., Cohen, P. & Spiegelman, B. M. Adaptieve thermogenese in adipocyten: is beige het nieuwe bruin? Genen Dev. 27, 234–250 (2013).

Harms, M. & Seale, P. Bruin en beige vet: ontwikkeling, functie en therapeutisch potentieel. nat. Med. 19, 1252–1263 (2013).

Lidell, M.E. et al. Bewijs voor twee soorten bruin vetweefsel bij mensen. nat. Med. 19, 631–634 (2013).

Wu, J. et al. Beige adipocyten zijn een apart type thermogene vetcel in muis en mens. Cel 150, 366–376 (2012).

Shinoda, K. et al. Genetische en functionele karakterisering van klonaal afgeleide volwassen menselijke bruine adipocyten. nat. Med. 21, 389–394 (2015).

Cypess, A.M. et al. Anatomische lokalisatie, genexpressieprofilering en functionele karakterisering van bruin nekvet bij volwassenen. nat. Med. 19, 635–639 (2013).

Ikeda, K., Maretich, P. & Kajimura, S. De gemeenschappelijke en verschillende kenmerken van bruine en beige adipocyten. Trends Endocrinol. Metab. 29, 191–200 (2018).

Lepper, C. & Fan, C. M. Inducible lineage tracing van Pax7-afstammelingencellen onthult embryonale oorsprong van volwassen satellietcellen. Genesis 48, 424–436 (2010).

Seale, P. et al. PRDM16 regelt een schakelaar voor bruin vet/skeletspier. Natuur 454, 961–967 (2008).

Atit, R. et al. β-Catenine-activering is noodzakelijk en voldoende om het dorsale dermale lot in de muis te specificeren. ontwikkelaar Biol. 296, 164–176 (2006).

Sanchez-Gurmaches, J. & Guertin, D. A. Adipocyten komen voort uit meerdere lijnen die heterogeen en dynamisch zijn verdeeld. nat. gemeenschappelijk. 5, 4099 (2014).

Sebo, Z.L., Jeffery, E., Holtrup, B. & Rodeheffer, M.S. Een mesodermale lotkaart voor vetweefsel. Ontwikkeling 145, dev166801 (2018).

Wang, W. et al. Ebf2 is een selectieve marker van bruine en beige adipogene voorlopercellen. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 111, 14466–14471 (2014).

Zhang, L. et al. Generatie van functionele bruine adipocyten uit menselijke pluripotente stamcellen via progressie door een paraxiale mesoderm-toestand. Cel Stamcel 27, 784-797.e11 (2020). Deze studie genereert menselijke bruine adipocyten uit pluripotente stamcellen door een serumvrije gerichte differentiatiestrategie.

Xue, B. et al. Genetische variabiliteit beïnvloedt de ontwikkeling van bruine adipocyten in wit vet, maar niet in interscapulair bruin vet. J. Lipid-onderzoek. 48, 41–51 (2007).

Lee, Y.H., Petkova, A.P., Mottillo, E.P. & Granneman, J.G. In vivo identificatie van bipotentiële adipocytvoorlopers gerekruteerd door β-adrenoceptoractivering en vetrijke voeding. Cel Metab. 15, 480–491 (2012).

Berry, D.C., Jiang, Y. & Graff, J.M. Mouse-stammen om koud-induceerbare beige voorlopers en beige adipocytvorming en -functie te bestuderen. nat. gemeenschappelijk. 7, 10184 (2016).

Liu, W. et al. Een heterogene afkomst ligt ten grondslag aan de fenotypische en moleculaire verschillen van witte en beige adipocyten. J. Cel Wetenschap. 126, 3527–3532 (2013).

Oguri, Y. et al. CD81 regelt de groei van beige vetvoorlopercellen en de energiebalans via FAK-signalering. Cel 182, 563-577.e20 (2020).

Long, J.Z. et al. Een gladde spierachtige oorsprong voor beige adipocyten. Cel Metab. 19, 810–820 (2014).

Vishvanath, L. et al. Pdgfrβ + mural preadipocyten dragen bij aan adipocythyperplasie veroorzaakt door vetrijke voeding en langdurige blootstelling aan koude bij volwassen muizen. Cel Metab. 23, 350–359 (2016).

Schulz, T.J. et al. Identificatie van induceerbare bruine adipocytenvoorlopers die zich in skeletspieren en wit vet bevinden. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 108, 143–148 (2011).

Rodeheffer, M. S., Birsoy, K. & Friedman, J. M. Identificatie van witte adipocyt-voorlopercellen in vivo. Cel 135, 240–249 (2008).

Berry, R. & Rodeheffer, M. S. Karakterisering van de adipocyt cellulaire afstamming in vivo. nat. Cel Biol. 15, 302–308 (2013).

Cattaneo, P. et al. Parallelle lineage-tracing-onderzoeken stellen fibroblasten vast als de heersende in vivo adipocyt-voorlopercellen. Cel vertegenwoordiger 30, 571–582.e2 (2020).

Finlin, B.S. et al. De β3-adrenerge receptoragonist mirabegron verbetert de glucosehomeostase bij zwaarlijvige mensen. J. Clin. Investeren. 130, 2319–2331 (2020). Deze studie meldt dat chronische activering van de β3-AR van mirabegron verbetert de insulinegevoeligheid en activeert beige vet bij mensen met obesitas.

Finlin, B.S. et al. Menselijk vetweefsel als reactie op kou en mirabegron. JCI Inzicht 3, e121510 (2018).

Min, S.Y. et al. Menselijke 'brite / beige' adipocyten ontwikkelen zich uit capillaire netwerken en hun implantatie verbetert de metabole homeostase bij muizen. nat. Med. 22, 312–318 (2016).

Raajendiran, A. et al. Identificatie van metabolisch verschillende adipocytvoorlopercellen in menselijke vetweefsels. Cel vertegenwoordiger 27, 1528-1540.e7 (2019).

Singh, A.M. et al. Menselijke beige adipocyten voor het ontdekken van geneesmiddelen en celtherapie bij stofwisselingsziekten. nat. gemeenschappelijk. 11, 2758 (2020).

Wang, Q.A., Tao, C., Gupta, R.K. & Scherer, P.E. Adipogenese volgen tijdens de ontwikkeling, expansie en regeneratie van wit vetweefsel. nat. Med. 19, 1338–1344 (2013).

Himms-Hagen, J. et al. Multiloculaire vetcellen in WAT van met CL-316243 behandelde ratten zijn rechtstreeks afkomstig van witte adipocyten. Ben. J. Fysiol. Cel Fysiol. 279, C670-C681 (2000).

Barbatelli, G. et al. De opkomst van door koude geïnduceerde bruine adipocyten in witte vetdepots van muizen wordt voornamelijk bepaald door transdifferentiatie van witte tot bruine adipocyten. Ben. J. Fysiol. 298, E1244-E1253 (2010).

Shao, M. et al. Cellulaire oorsprong van beige vetcellen opnieuw bekeken. suikerziekte 68, 1874–1885 (2019). Deze studie rapporteert de kwantitatieve bijdrage van beige adipocytbiogenese via de novo differentiatie versus herinstallatie van bestaande adipocyten in vivo.

Lee, Y.H., Petkova, A.P., Konkar, A.A. & Granneman, J.G. Cellulaire oorsprong van door koude geïnduceerde bruine adipocyten bij volwassen muizen. FASEB J. 29, 286–299 (2015).

Tajima, K. et al. Mitochondriale lipoylering integreert leeftijdsgebonden achteruitgang in thermogenese van bruin vet. nat. Metab. 1, 886–898 (2019).

Berry, D.C. et al. Cellulaire veroudering draagt ​​bij aan het falen van koude-geïnduceerde beige adipocytvorming bij oude muizen en mensen. Cel Metab. 25, 481 (2017).

Rosenwald, M., Perdikari, A., Rulicke, T. & Wolfrum, C. Bidirectionele interconversie van brite en witte adipocyten. nat. Cel Biol. 15, 659–667 (2013).

Altshuler-Keylin, S. et al. Beige onderhoud van adipocyten wordt gereguleerd door autofagie-geïnduceerde mitochondriale klaring. Cel Metab. 24, 402–419 (2016).

Lu, X. et al. Mitofagie regelt het onderhoud van beige adipocyten via een parkine-afhankelijk en UCP1-onafhankelijk mechanisme. Wetenschap. Signaal. 11, eaap8526 (2018).

Roh, H.C. et al. Opwarming induceert significante herprogrammering van beige, maar niet bruine, adipocyt cellulaire identiteit. Cel Metab. 27, 1121-1137.e5 (2018).

Gnad, T. et al. Adenosine activeert bruin vetweefsel en rekruteert beige adipocyten via A2A receptoren. Natuur 516, 395–399 (2014).

Bordicchia, M. et al. Cardiale natriuretische peptiden werken via p38 MAPK om het bruine vet thermogene programma in muis- en humane adipocyten te induceren. J. Clin. Investeren. 122, 1022–1036 (2012).

Fisher, F.M. et al. FGF21 reguleert PGC-1α en bruin worden van witte vetweefsels bij adaptieve thermogenese. Genen Dev. 26, 271–281 (2012).

Ohno, H., Shinoda, K., Spiegelman, B. M. & Kajimura, S. PPARa-agonisten induceren een wit-naar-bruin vetomzetting door stabilisatie van PRDM16-eiwit. Cel Metab. 15, 395–404 (2012).

Inagaki, T., Sakai, J. & Kajimura, S. Transcriptionele en epigenetische controle van het lot en de functie van bruine en beige vetcellen. nat. ds. Mol. Cel Biol. 17, 480–495 (2016).

Sidossis, L. & Kajimura, S. Bruin en beige vet bij mensen: thermogene adipocyten die de energie- en glucosehomeostase regelen. J. Clin. Investeren. 125, 478–486 (2015).

Zon, W. et al. Door koude geïnduceerde epigenetische programmering van het sperma verbetert de activiteit van bruin vetweefsel bij de nakomelingen. nat. Med. 24, 1372–1383 (2018).

Jiang, Y., Berry, D.C. & Graff, J.M. Verschillende cellulaire en moleculaire mechanismen voor β3-adrenerge receptor-geïnduceerde vorming van beige adipocyten. eLife 6, e30329 (2017).

Bronnikov, G., Houstek, J. & Nedergaard, J. β-Adrenerge, cAMP-gemedieerde stimulatie van proliferatie van bruine vetcellen in primaire cultuur. Bemiddeling via β1 maar niet via β3 adrenoceptoren. J. Biol. Chem. 267, 2006–2013 (1992).

McQueen, A.E. et al. Het C-terminale fibrinogeen-achtige domein van angiopoëtine-achtige 4 stimuleert vetweefsellipolyse en bevordert het energieverbruik. J. Biol. Chem. 292, 16122–16134 (2017).

Goh, Y. Y. et al. Angiopoietine-achtige 4 interageert met integrines β1 en β5 om de migratie van keratinocyten te moduleren. Ben. J. Patol. 177, 2791–2803 (2010).

Zhu, Y. et al. Connexin 43 medieert de vorming van wit vetweefsel door de verspreiding van sympathische neuronale signalen te vergemakkelijken. Cel Metab. 24, 420–433 (2016). Deze studie identificeert de rol van de gap junction in de biogenese van beige vet via propagatie van het sympathiek afgeleide cAMP-signaal naar naburige adipocyten.

Chen, Y. et al. Thermische stress induceert glycolytische beige vetvorming via een myogene toestand. Natuur 565, 180–185 (2019).

Jun, H. et al. Adrenerge-onafhankelijke signalering via CHRNA2 reguleert beige vetactivering. ontwikkelaar Cel 54, 106–116.e5 (2020).

Wu, Y., Kinnebrew, M.A., Kutyavin, V.I. & Chawla, A. Verschillende signalerings- en transcriptieroutes reguleren de ontwikkeling rond het spenen en door koude geïnduceerde rekrutering van beige adipocyten. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 117, 6883–6889 (2020).

Song, A. et al. Laag- en hoog-thermogene bruine adipocytsubpopulaties bestaan ​​naast elkaar in murine vetweefsel. J. Clin. Investeren. 130, 247–257 (2019).

Lee, K.Y. et al. Ontwikkelings- en functionele heterogeniteit van witte adipocyten binnen een enkel vetdepot. EMBO J. 38, e99291 (2019).

Min, S. Y. et al. Een divers repertoire van subtypes van menselijke adipocyten ontwikkelt zich uit transcriptioneel verschillende mesenchymale voorlopercellen. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 116, 17970–17979 (2019). Deze studie rapporteert diverse voorlopers van adipocyten in menselijk vetweefsel die aanleiding geven tot beige adipocyten.

Xue, R. et al. Klonale analyses en genprofilering identificeren genetische biomarkers van het thermogene potentieel van menselijke bruine en witte preadipocyten. nat. Med. 21, 760–768 (2015).

Zon, W. et al. Single-nucleus RNA-seq onthult een nieuw type bruine adipocyt die thermogenese reguleert. Natuur 587, 98–102 (2020). Deze studie maakt gebruik van single-nucleus RNA-sequencing om de heterogeniteit van adipocyten bij muizen en mensen te karakteriseren, en identificeert een subpopulatie van adipocyten die acetaat gebruikt om de thermogene capaciteit van naburige adipocyten te reguleren.

Schwalie, P.C. et al. Een stromale celpopulatie die adipogenese remt in vetdepots van zoogdieren. Natuur 559, 103–108 (2018). Deze studie, door middel van eencellige RNA-sequencing-analyse, identificeert verschillende subpopulaties van vetvoorlopercellen, waaronder adipogenese-regulerende cellen, in vetweefsel van muizen.

Hepler, C. et al. Identificatie van functioneel verschillende fibro-inflammatoire en adipogene stromale subpopulaties in visceraal vetweefsel van volwassen muizen. eLife 7, e39636 (2018). Deze studie onthult de functionele heterogeniteit van viscerale WAT perivasculaire cellen en identificeert fibro-inflammatoire voorlopers.

Merrick, D. et al. Identificatie van een mesenchymale voorlopercelhiërarchie in vetweefsel. Wetenschap 364, eaav2501 (2019). Deze studie maakt gebruik van single-cell RNA-sequencing om mesenchymale voorlopercellen te identificeren die aanleiding geven tot adipocyten bij muizen en mensen.

Seale, P. et al. Transcriptionele controle van de bepaling van bruin vet door PRDM16. Cel Metab. 6, 38–54 (2007).

Kajimura, S. et al. Regulatie van de genprogramma's voor bruin en wit vet door middel van een PRDM16/CtBP-transcriptiecomplex. Genen Dev. 22, 1397–1409 (2008).

Seale, P. et al. Prdm16 bepaalt het thermogene programma van onderhuids wit vetweefsel bij muizen. J. Clin. Investeren. 121, 96–105 (2011).

Cohen, P. et al. Ablatie van PRDM16 en beige vet veroorzaakt metabole disfunctie en een omschakeling van subcutaan naar visceraal vet. Cel 156, 304–316 (2014).

Ohno, H., Shinoda, K., Ohyama, K., Sharp, L. Z. & Kajimura, S. EHMT1 regelt het lot van bruine vetcellen en thermogenese via het PRDM16-complex. Natuur 504, 163–167 (2013).

Berg, F., Gustafson, U. & Andersson, L. Het ontkoppelingseiwit 1-gen (UCP1) is verstoord in de varkenslijn: een genetische verklaring voor slechte thermoregulatie bij biggen. PLoS Genet. 2, e129 (2006).

Gaudry, M.J. et al. Inactivering van thermogene UCP1 als een historische contingentie in meerdere placentale zoogdierclades. Wetenschap. Adv. 3, e1602878 (2017).

Ricquier, D. & Kader, J.C. Mitochondriale eiwitverandering in actief bruin vet: een elektroforetische studie van natriumdodecylsulfaat-polyacrylamidegel. Biochem. Biofysica. Onderzoek gemeenschappelijk. 73, 577–583 (1976).

Nicholls, D. G. Hamster mitochondriën van bruin vetweefsel. Purine nucleotide controle van de ionengeleiding van het binnenmembraan, de aard van de nucleotide bindingsplaats. EUR. J. Biochem. 62, 223–228 (1976).

Aquila, H., Link, T. A. & Klingenberg, M. Het ontkoppelende eiwit van mitochondriën met bruin vet is gerelateerd aan de mitochondriale ADP / ATP-drager. Analyse van sequentiehomologieën en van vouwing van het eiwit in het membraan. EMBO J. 4, 2369–2376 (1985).

Bouillaud, F., Ricquier, D., Thibault, J. & Weissenbach, J. Moleculaire benadering van thermogenese in bruin vetweefsel: cDNA-klonering van het mitochondriale ontkoppelingseiwit. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 82, 445–448 (1985).

Enerback, S. et al. Muizen zonder mitochondriaal ontkoppelingseiwit zijn koudegevoelig maar niet zwaarlijvig. Natuur 387, 90–94 (1997).

Arsenijevic, D. et al. Verstoring van het ontkoppelende eiwit-2-gen bij muizen onthult een rol bij de immuniteit en de productie van reactieve zuurstofsoorten. nat. Genet. 26, 435–439 (2000).

Gong, D.W. et al. Gebrek aan obesitas en normale reactie op vasten en schildklierhormoon bij muizen zonder ontkoppelingseiwit-3. J. Biol. Chem. 275, 16251–16257 (2000).

Klingenberg, M. UCP1 - een geavanceerde energieklep. Biochimie 134, 19–27 (2017).

Ricquier, D. UCP1, het mitochondriale ontkoppelingseiwit van bruine adipocyt: een persoonlijke bijdrage en een historisch perspectief. Biochimie 134, 3–8 (2017).

Winkler, E. & Klingenberg, M. Effect van vetzuren op H + -transportactiviteit van het gereconstitueerde ontkoppelingseiwit. J. Biol. Chem. 269, 2508–2515 (1994).

Jezek, P., Orosz, D.E., Modriansky, M. & Garlid, K.D. Transport van anionen en protonen door het mitochondriale ontkoppelingseiwit en de regulatie ervan door nucleotiden en vetzuren. Een nieuwe kijk op oude hypothesen. J. Biol. Chem. 269, 26184–26190 (1994).

Urbankova, E., Voltchenko, A., Pohl, P., Jezek, P. & Pohl, E.E. Transportkinetiek van ontkoppelingseiwitten. Analyse van UCP1 gereconstitueerd in vlakke lipide dubbellagen. J. Biol. Chem. 278, 32497–32500 (2003).

Schreiber, R. et al. Koude-geïnduceerde thermogenese hangt af van ATGL-gemedieerde lipolyse in de hartspier, maar niet van bruin vetweefsel. Cel Metab. 26, 753-763.e7 (2017).

Shin, H. et al. Lipolyse in bruine adipocyten is niet essentieel voor koude-geïnduceerde thermogenese bij muizen. Cel Metab. 26, 764–777.e5 (2017).

Anderson, C.M. et al. Afhankelijkheid van de functie van bruin vetweefsel van CD36-gemedieerde co-enzym Q-opname. Cel vertegenwoordiger 10, 505–515 (2015).

Putri, M. et al. CD36 is onmisbaar voor thermogenese onder omstandigheden van vasten en koude stress. Biochem. Biofysica. gemeenschappelijk. 457, 520–525 (2015).

Simcox, J. et al. Globale analyse van plasmalipiden identificeert van de lever afgeleide acylcarnitines als brandstofbron voor thermogenese van bruin vet. Cel Metab. 26, 509-522.e6 (2017). Deze studie identificeert een mechanisme waarbij FFA's uit vetweefsel de productie van acylcarnitine in de lever bevorderen, wat brandstof levert voor door koude geïnduceerde thermogenese.

Chouchani, E.T. et al. Mitochondriale ROS reguleren het thermogene energieverbruik en de sulfenylering van UCP1. Natuur 532, 112–116 (2016).

Wang, G. et al. Regulering van UCP1 en mitochondriaal metabolisme in bruin vetweefsel door omkeerbare succinylatie. Mol. Cel 74, 844-857.e7 (2019).

Ukropec, J., Anunciado, R.P., Ravussin, Y., Hulver, M.W. & Kozak, L.P. UCP1-onafhankelijke thermogenese in wit vetweefsel van aan koude geacclimatiseerde Ucp1-/- muizen. J. Biol. Chem. 281, 31894–31908 (2006).

Ikeda, K. et al. UCP1-onafhankelijke signalering waarbij SERCA2b-gemedieerde calciumcycli zijn betrokken, reguleert beige vet-thermogenese en systemische glucosehomeostase. nat. Med. 23, 1454–1465 (2017). Dit artikel levert direct bewijs van een UCP1-onafhankelijk mechanisme in beige vet dat de thermogenese en glucosehomeostase regelt.

de Meis, L. Ontkoppelde ATPase-activiteit en warmteproductie door het sarcoplasmatisch reticulum Ca2+-ATPase. Regelgeving door ADP. J. Biol. Chem. 276, 25078–25087 (2001).

Bal, N.C. et al. Sarcolipin is een nieuw geïdentificeerde regulator van op spieren gebaseerde thermogenese bij zoogdieren. nat. Med. 18, 1575–1579 (2012).

Tajima, K. et al. Draadloze optogenetica beschermt tegen obesitas door stimulatie van niet-canonieke vetthermogenese. nat. gemeenschappelijk. 11, 1730 (2020).

Aquilano, K. et al. Een eiwitarm / koolhydraatarm dieet induceert AMPK-afhankelijke canonieke en niet-canonieke thermogenese in onderhuids vetweefsel. Redox Biol. 36, 101633 (2020).

Kazak, L. et al. Een door creatine aangedreven substraatcyclus verhoogt het energieverbruik en de thermogenese in beige vet. Cel 163, 643–655 (2015). Deze studie identificeert een UCP1-onafhankelijk thermogeen mechanisme waarbij creatine futiele cycli betrokken zijn.

Kazak, L. et al. Genetische uitputting van het creatinemetabolisme van adipocyten remt door voeding geïnduceerde thermogenese en veroorzaakt obesitas. Cel Metab. 26, 660-671.e3 (2017).

Kazak, L. et al. Ablatie van creatinetransport van adipocyten schaadt de thermogenese en veroorzaakt door voeding veroorzaakte obesitas. nat. Metab. 1, 360–370 (2019).

Guan, H.P. et al. Een futiele metabole cyclus geactiveerd in adipocyten door antidiabetica. nat. Med. 8, 1122–1128 (2002).

Flachs, P. et al. Inductie van lipogenese in wit vet tijdens blootstelling aan koude bij muizen: link naar mager fenotype. Int. J. Obes. 41, 372–380 (2017).

Reidy, S. P. & Weber, J. M. Versnelde substraatcycli: een nieuwe energieverspillende rol voor leptine in vivo. Ben. J. Fysiol. 282, E312-E317 (2002).

Silva, J. E. Thermogene mechanismen en hun hormonale regulatie. Fysiol. ds. 86, 435–464 (2006).

DosSantos, R.A., Alfadda, A., Eto, K., Kadowaki, T. & Silva, J.E. Bewijs voor een gecompenseerd thermogeen defect bij transgene muizen zonder het mitochondriale glycerol-3-fosfaatdehydrogenase-gen. Endocrinologie 144, 5469–5479 (2003).

Anunciado-Koza, R., Ukropec, J., Koza, R.A. & Kozak, L.P. Inactivering van UCP1 en de glycerolfosfaatcyclus verhoogt synergetisch het energieverbruik om weerstand te bieden aan door voeding veroorzaakte obesitas. J. Biol. Chem. 283, 27688–27697 (2008).

Long, J.Z. et al. Het uitgescheiden enzym pm20d1 reguleert gelipideerde aminozuurontkoppelaars van mitochondriën. Cel 166, 424–435 (2016).

Kajimura, S., Spiegelman, B. M. & Seale, P. Bruin en beige vet: fysiologische rollen die verder gaan dan warmteontwikkeling. Cel Metab. 22, 546–559 (2015).

Cooney, G.J., Caterson, I.D. &. Newsholme, E.A. Het effect van insuline en noradrenaline op de opname van 2-[1-14 C]deoxyglucose in vivo door bruin vetweefsel en andere glucoseverbruikende weefsels van de muis. FEBS Lett. 188, 257–261 (1985).

Guerra, C. et al. Bruin vetweefsel-specifieke insulinereceptor knock-out toont diabetisch fenotype zonder insulineresistentie. J. Clin. Investeren. 108, 1205–1213 (2001).

Dallner, O. S., Chernogubova, E., Brolinson, K.A. & Bengtsson, T. β3-adrenerge receptoren stimuleren de opname van glucose in bruine adipocyten door twee mechanismen die onafhankelijk zijn van translocatie van glucosetransporter 4. Endocrinologie 147, 5730–5739 (2006).

Olsen, J.M. et al. De opname van glucose in bruine vetcellen is afhankelijk van mTOR-complex 2-bevorderde GLUT1-translocatie. J. Cell Biol. 207, 365–374 (2014).

Lowell, B.B. et al. Ontwikkeling van obesitas bij transgene muizen na genetische ablatie van bruin vetweefsel. Natuur 366, 740–742 (1993).

Stanford, K.I. et al. Bruin vetweefsel reguleert de glucosehomeostase en insulinegevoeligheid. J. Clin. Investeren. 123, 215–223 (2013).

de Souza, C.J., Hirshman, M.F. & Horton, E.S. CL-316.243, een β3-specifieke adrenoceptoragonist, verbetert de door insuline gestimuleerde glucoseafvoer bij niet-obese ratten. suikerziekte 46, 1257–1263 (1997).

Roberts-Toler, C., O'Neill, B.T. & Cypess, A.M. Dieet-geïnduceerde obesitas veroorzaakt insulineresistentie in muisbruin vetweefsel. zwaarlijvigheid 23, 1765–1770 (2015).

Bartelt, A. et al. De activiteit van bruin vetweefsel regelt de klaring van triglyceriden. nat. Med. 17, 200–205 (2011).

Berbee, J.F. et al. Activering van bruin vet vermindert hypercholesterolemie en beschermt tegen de ontwikkeling van atherosclerose. nat. gemeenschappelijk. 6, 6356 (2015).

Bartelt, A. et al. Thermogene adipocyten bevorderen de omzet van HDL en omgekeerd cholesteroltransport. nat. gemeenschappelijk. 8, 15010 (2017). Deze studie rapporteert een mogelijke atheroprotectieve rol van thermogeen vet via verhoogde cholesterolflux door HDL.

Balaz, M. et al. Remming van de mevalonaatroute voorkomt bruin worden van adipocyten bij muizen en mannen door eiwitprenylatie te beïnvloeden. Cel Metab. 29, 901-916.e8 (2019).

Worthmann, A. et al. Door koude geïnduceerde omzetting van cholesterol in galzuren bij muizen vormt het darmmicrobioom en bevordert adaptieve thermogenese. nat. Med. 23, 839–849 (2017).

Sponton, C.H. et al. De regulatie van glucose- en lipidehomeostase via PLTP als bemiddelaar van BAT-levercommunicatie. EMBO-rep. 21, e49828 (2020).

Neinast, M.D. et al. Kwantitatieve analyse van het metabolische lot van vertakte aminozuren in het hele lichaam. Cel Metab. 29, 417-429.e4 (2019).

Yonesiro, T. et al. BCAA-katabolisme in bruin vet regelt de energiehomeostase via SLC25A44. Natuur 572, 614–619 (2019). Deze studie rapporteert de rol van thermogeen vet in het BCAA-metabolisme en identificeerde de eerste mitochondriale BCAA-transporter.

Newgard, C.B. et al. Een aminozuurgerelateerde metabolische signatuur met vertakte keten die zwaarlijvige en magere mensen onderscheidt en bijdraagt ​​aan insulineresistentie. Cel Metab. 9, 311–326 (2009).

Huffman, K.M. et al. Relaties tussen circulerende metabole tussenproducten en insulinewerking bij overgewicht tot zwaarlijvige, inactieve mannen en vrouwen. Diabetes Zorg 32, 1678–1683 (2009).

Pietilainen, K.H. et al. Wereldwijde transcriptprofielen van vet bij monozygote tweelingen die niet overeenstemmen met BMI: paden achter verworven obesitas. PLoS Med. 5, e51 (2008).

Wang, T.J. et al. Metabolietprofielen en het risico op het ontwikkelen van diabetes. nat. Med. 17, 448–453 (2011).

Newgard, C. B. Samenspel tussen lipiden en vertakte aminozuren bij de ontwikkeling van insulineresistentie. Cel Metab. 15, 606–614 (2012).

Liu, J. et al. Metabolomics gebaseerde markers voorspellen type 2 diabetes in een 14-jarige follow-up studie. Metabolomica 13, 104 (2017).

Guasch-Ferre, M. et al. Metabolomics bij prediabetes en diabetes: een systematische review en meta-analyse. Diabetes Zorg 39, 833–846 (2016).

Felig, P., Marliss, E. & Cahill, G.F. Jr. Plasma-aminozuurniveaus en insulinesecretie bij obesitas. N. Engl. J. Med. 281, 811–816 (1969).

Crown, S. B., Marze, N. & Antoniewicz, M.R. Katabolisme van aminozuren met vertakte ketens draagt ​​aanzienlijk bij aan de synthese van vetzuren met oneven en even ketens in 3T3-L1-adipocyten. PloS ONE 10, e0145850 (2015).

Green, C.R. et al. Vertakte aminozuurkatabolisme voedt adipocytdifferentiatie en lipogenese. nat. Chem. Biol. 12, 15–21 (2016).

Wallace, M. et al. Enzympromiscuïteit stimuleert de vetzuursynthese met vertakte ketens in vetweefsel. nat. Chem. Biol. 14, 1021–1031 (2018).

Su, X. et al. Vetweefsel monomethyl vertakte vetzuren en insulinegevoeligheid: effecten van obesitas en gewichtsverlies. zwaarlijvigheid 23, 329–334 (2015).

Gunawardana, S. C. & Piston, D. W. Omkering van type 1 diabetes bij muizen door transplantatie van bruin vetweefsel. suikerziekte 61, 674–682 (2012).

Ali Khan, A. et al. Vergelijkende secretoomanalyses van primaire muizen witte en bruine adipocyten onthullen nieuwe adipokines. Mol. Cel Proteom. 17, 2358–2370 (2018).

Villarroya, J., Cereijo, R., Giralt, M. & Villarroya, F. Secretoire proteoom van bruine adipocyten als reactie op door kamp gemedieerde thermogene activering. Voorkant. Fysiol. 10, 67 (2019).

Deshmukh, A.S. et al. Op proteomics gebaseerde vergelijkende mapping van de secretomen van menselijke bruine en witte adipocyten onthult EPDR1 als een nieuwe batokine. Cel Metab. 30, 963-975.e7 (2019).

Villarroya, J. et al. Nieuwe inzichten in de secretoire functies van bruin vetweefsel. J. Endocrinol. 243, R19–R27 (2019).

Whittle, A.J. et al. BMP8B verhoogt de thermogenese van bruin vetweefsel door zowel centrale als perifere acties. Cel 149, 871–885 (2012).

Svensson, K.J. et al. Een uitgescheiden spleet2-fragment reguleert de thermogenese en de metabole functie van vetweefsel. Cel Metab. 23, 454–466 (2016).

Kristof, E. et al. Interleukine-6 ​​dat vrijkomt uit differentiërende humane beige adipocyten verbetert de bruining. Exp. Cel res. 377, 47–55 (2019).

Sun, K. et al. Dichotome effecten van VEGF-A op disfunctie van vetweefsel. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 109, 5874–5879 (2012).

Mahdaviani, K., Chess, D., Wu, Y., Shirihai, O. & Aprahamian, T.R. Autocrien effect van vasculaire endotheliale groeifactor-A is essentieel voor de mitochondriale functie in bruine adipocyten. Metabolisme 65, 26–35 (2016).

Creijo, R. et al. CXCL14, een bruine adipokine die bruin-vet-naar-macrofaagcommunicatie bemiddelt bij thermogene aanpassing. Cel Metab. 28, 750-763.e6 (2018).

Campderros, L. et al. Bruine adipocyten scheiden GDF15 af als reactie op thermogene activering. zwaarlijvigheid 27, 1606–1616 (2019).

Nisoli, E., Tonello, C., Benarese, M., Liberini, P. & Carruba, M. O. Expressie van zenuwgroeifactor in bruin vetweefsel: implicaties voor thermogenese en obesitas. Endocrinologie 137, 495–503 (1996).

Zeng, X. et al. Innervatie van thermogeen vetweefsel via een calsyntenine 3β-S100b-as. Natuur 569, 229–235 (2019).

Wang, G.X. et al. De met bruin vet verrijkte uitgescheiden factor Nrg4 behoudt metabole homeostase door verzwakking van hepatische lipogenese. nat. Med. 20, 1436–1443 (2014).

Kong, X. et al. Bruin vetweefsel regelt de skeletspierfunctie via de secretie van myostatine. Cel Metab. 28, 631-643.e3 (2018).

Ruan, C.C. et al. EEN2A receptoractivering verzwakt hypertensieve cardiale remodellering door het bevorderen van bruin vetweefsel afgeleid FGF21. Cel Metab. 28, 476-489.e5 (2018).

Lynes, M.D. et al. Het door koude geïnduceerde lipokine 12,13-diHOME bevordert het transport van vetzuren naar bruin vetweefsel. nat. Med. 23, 631–637 (2017). Deze studie rapporteert een koud-induceerbaar batokine, 12,13-diHOME, dat de opname van vetzuren in bruin vet stimuleert.

Stanford, K.I. et al. 12,13-DiHOME: een door inspanning geïnduceerde lipokine die de opname van vetzuren in de skeletspieren verhoogt. Cel Metab. 27, 1111-1120.e3 (2018).

Chen, Y. et al. Exosomale microRNA miR-92a-concentratie in serum weerspiegelt menselijke bruine vetactiviteit. nat. gemeenschappelijk. 7, 11420 (2016).

Thomou, T. et al. Van vet afkomstige circulerende miRNA's reguleren genexpressie in andere weefsels. Natuur 542, 450–455 (2017).

Sun, K., Tordjman, J., Clement, K. & Scherer, P.E. Fibrosis en disfunctie van vetweefsel. Cel Metab. 18, 470–477 (2013).

Lackey, D.E. et al. Bijdragen van vetweefsel architecturale en trekeigenschappen voor het definiëren van gezonde en ongezonde obesitas. Ben. J. Fysiol. 306, E233-E246 (2014).

Muir, L.A. et al. Vetweefselfibrose, hypertrofie en hyperplasie: correlaties met diabetes bij menselijke obesitas. zwaarlijvigheid 24, 597–605 (2016).

Divoux, A. et al. Fibrose in menselijk vetweefsel: samenstelling, distributie en verband met vetmetabolisme en verlies van vetmassa. suikerziekte 59, 2817–2825 (2010).

Reggio, S. et al. Verhoogde basaalmembraancomponenten in vetweefsel tijdens obesitas: verbanden met TGFβ en metabole fenotypes. J. Clin. Endocrinol. Metab. 101, 2578–2587 (2016).

Henegar, C. et al. Transcriptie van vetweefsel benadrukt de pathologische relevantie van extracellulaire matrix bij obesitas bij de mens. Genoom Biol. 9, R14 (2008).

Khan, T. et al. Metabole ontregeling en vetweefselfibrose: rol van collageen VI. Mol. Cel. Biol. 29, 1575–1591 (2009).

Hasegawa, Y. et al. Onderdrukking van vetweefselfibrose door een PRDM16-GTF2IRD1-complex verbetert de systemische glucosehomeostase. Cel Metab. 27, 180-194.e6 (2018).

Wang, W. et al. Een door PRDM16 aangedreven metabool signaal van adipocyten reguleert het lot van de voorlopercellen. Cel Metab. 30, 174–189.e5 (2019).

Heaton, J. M. De verdeling van bruin vetweefsel bij de mens. J. Anat. 112, 35–39 (1972).

Hany, T.F. et al. Bruin vetweefsel: een factor waarmee rekening moet worden gehouden bij de symmetrische opname van tracer in de nek en het bovenste deel van de borstkas. EUR. J. Nucl. Med. Mol. In beeld brengen 29, 1393–1398 (2002).

Cohade, C., Osman, M., Pannu, H.K. & Wahl, R.L. Opname in supraclaviculair gebiedsvet ("USA-Fat"): beschrijving op 18 F-FDG PET/CT. J. Nucl. Med. 44, 170–176 (2003).

van Marken Lichtenbelt, W.D. et al. Koud geactiveerd bruin vetweefsel bij gezonde mannen. N. Engl. J. Med. 360, 1500–1508 (2009).

Virtanen, K.A. et al. Functioneel bruin vetweefsel bij gezonde volwassenen. N. Engl. J. Med. 360, 1518–1525 (2009).

Saito, M. et al. Hoge incidentie van metabolisch actief bruin vetweefsel bij gezonde volwassen mensen: effecten van blootstelling aan koude en vet. suikerziekte 58, 1526–1531 (2009).

Cypess, A.M. et al. Identificatie en belang van bruin vetweefsel bij volwassen mensen. N. Engl. J. Med. 360, 1509–1517 (2009).

Leitner, B.P. et al. In kaart brengen van menselijk bruin vetweefsel bij magere en zwaarlijvige jonge mannen. Proc. Natl Acad. Sci.USA 114, 8649–8654 (2017). Deze studie brengt bruin vet in kaart in zes verschillende anatomische depots bij jonge mannen, waarbij magere individuen en individuen met obesitas worden vergeleken.

Chen, K.Y. et al. Brown adipose Reporting Criteria in Imaging STudies (BARCIST 1.0): aanbevelingen voor gestandaardiseerde FDG-PET/CT-experimenten bij mensen. Cel Metab. 24, 210–222 (2016).

Sharp, L.Z. et al. Menselijke BAT bezit moleculaire handtekeningen die lijken op beige/brite cellen. PloS ONE 7, e49452 (2012).

Yonesiro, T. et al. Aangeworven bruin vetweefsel als middel tegen obesitas bij mensen. J. Clin. Investeren. 123, 3404–3408 (2013).

Hanssen, M.J. et al. Kortdurende koude acclimatisatie verbetert de insulinegevoeligheid bij patiënten met type 2 diabetes mellitus. nat. Med. 21, 863–865 (2015).

Chondronikola, M. et al. Bruin vetweefsel verbetert de glucosehomeostase van het hele lichaam en de insulinegevoeligheid bij mensen. suikerziekte 63, 4089–4099 (2014).

Lee, P. et al. Aan temperatuur geacclimatiseerd bruin vetweefsel moduleert de insulinegevoeligheid bij mensen. suikerziekte 63, 3686–3698 (2014).

Hanssen, M.J. et al. Kortdurende koude-acclimatisering rekruteert bruin vetweefsel bij zwaarlijvige mensen. suikerziekte 65, 1179–1189 (2016). Deze studie toont aan dat kortdurende blootstelling aan koude kan leiden tot de rekrutering van bruin vet bij mensen met obesitas.

Vijgen, G.H. et al. Toename van bruin vetweefselactiviteit na gewichtsverlies bij morbide zwaarlijvige personen. J. Clin. Endocrinol. Metab. 97, E1229–E1233 (2012).

Raiko, J., Orava, J., Savisto, N. & Virtanen, K.A. Hoge bruinvetactiviteit correleert met cross-sectionele cardiovasculaire risicofactorniveaus en subklinische atherosclerose bij een follow-up van 5 jaar. slagader. trom. Vasc. Biol. 40, 1289–1295 (2020). Deze studie constateert dat de aanwezigheid van door koude geïnduceerde activiteit van bruin vet correleert met lagere cardiovasculaire risicofactoren en verminderde halsslagader intima-media dikte en hogere halsslagaderelasticiteit na 5 jaar follow-up.

Becher, T. et al. Bruin vetweefsel wordt geassocieerd met cardiometabolische gezondheid. nat. Med. 27, 58–65 (2021). Uit deze studie blijkt dat bruin vet bij mensen wordt geassocieerd met bescherming tegen cardio-metabole ziekten, met name bij personen met overgewicht en obesitas.

Ma, S. et al. Calorische restrictie herprogrammeert het eencellige transcriptionele landschap van veroudering van rattus norvegicus. Cel 180, 984-1001.e22 (2020).

Yonesiro, T. et al. Impact van UCP1- en β3AR-genpolymorfismen op leeftijdsgerelateerde veranderingen in bruin vetweefsel en adipositas bij mensen. Int. J. Obes. 37, 993–998 (2013).

Bakker, L.E. et al. Bruin vetweefselvolume bij gezonde magere Zuid-Aziatische volwassenen vergeleken met blanke blanken: een prospectieve, case-gecontroleerde observationele studie. Lancet Diabetes Endocrinol. 2, 210–217 (2014).

Vosselman, M.J., Vijgen, G.H., Kingma, B.R., Brans, B. & van Marken Lichtenbelt, W.D. Frequente blootstelling aan extreme kou en bruin vet en koude-geïnduceerde thermogenese: een onderzoek bij een monozygote tweeling. PloS ONE 9, e101653 (2014).

Riveros-McKay, F. et al. Genetische architectuur van menselijke dunheid in vergelijking met ernstige obesitas. PLoS Genet. 15, e1007603 (2019).

Zhang, F. et al. Een vetweefselatlas: een beeldgestuurde identificatie van mensachtige BBT en beige depots bij knaagdieren. Cel Metab. 27, 252–262.e3 (2018).

Fitzgibbons, T.P. et al. Gelijkenis van perivasculaire en bruine vetweefsels van muizen en hun weerstand tegen door voeding veroorzaakte ontstekingen. Ben. J. Fysiol. Hart Circ. Fysiol. 301, H1425–H1437 (2011).

Sacks, H.S. et al. Ontkoppeling van eiwit-1 en verwante boodschapper-ribonucleïnezuren in menselijke epicardiale en andere vetweefsels: epicardiaal vet dat functioneert als bruin vet. J. Clin. Endocrinol. Metab. 94, 3611–3615 (2009).

Lynch, C.J. & Adams, S.H. Vertakte aminozuren in metabole signalering en insulineresistentie. nat. Rev. Endocrinol. 10, 723–736 (2014).

Villarroya, F., Cereijo, R., Villarroya, J., Gavalda-Navarro, A. & Giralt, M. Op weg naar een goed begrip van hoe immuuncellen bruine en beige adipobiologie beheersen. Cel Metab. 27, 954–961 (2018).

Sakamoto, T. et al. Macrofaaginfiltratie in zwaarlijvige vetweefsels onderdrukt de inductie van UCP1-niveau bij muizen. Ben. J. Fysiol. 310, E676–E687 (2016).

Goto, T. et al. Pro-inflammatoire cytokine interleukine-1β onderdrukt door koude geïnduceerde thermogenese in adipocyten. Cytokine 77, 107–114 (2016).

Valladares, A., Roncero, C., Benito, M. & Porras, A. TNF-α remt UCP-1-expressie in bruine adipocyten via ERK's. Tegenovergesteld effect van p38MAPK. FEBS Lett. 493, 6–11 (2001).

Chiang, S.H. et al. Het eiwitkinase IKKε reguleert de energiebalans bij zwaarlijvige muizen. Cel 138, 961–975 (2009).

Maaiers, J. et al. Ontsteking veroorzaakt catecholamineresistentie bij obesitas via activering van PDE3B door de proteïnekinasen IKKε en TBK1. eLife 2, e01119 (2013).

Kumari, M. et al. IRF3 bevordert vetontsteking en insulineresistentie en onderdrukt bruin worden. J. Clin. Investeren. 126, 2839–2854 (2016).

Yadav, H. et al. Bescherming tegen obesitas en diabetes door blokkade van TGF-β/Smad3-signalering. Cel Metab. 14, 67–79 (2011).

Koncarevic, A. et al. Een nieuwe therapeutische benadering voor de behandeling van obesitas door modulatie van TGFβ-signalering. Endocrinologie 153, 3133–3146 (2012).

Guo, T. et al. Adipocyte ALK7 koppelt overbelasting van voedingsstoffen aan catecholamineresistentie bij obesitas. eLife 3, e03245 (2014).

Rajbhandari, P. et al. Eencellige analyse onthult immuuncel-adipocyt-overspraak die de transcriptie van thermogene adipocyten reguleert. eLife 8, e49501 (2019).

Rajbhandari, P. et al. IL-10-signalering remodelleert de architectuur van vetchromatine om de thermogenese en het energieverbruik te beperken. Cel 172, 218-233 e217 (2018). Deze studie karakteriseert adipocyten en stromale cellen die overspraak tussen immuuncellen en thermogene adipocyten identificeren.

Wolf, Y. et al. Macrofagen van bruin vetweefsel regelen de weefselinnervatie en het homeostatische energieverbruik. nat. Immunol. 18, 665–674 (2017).

Pirzgalska, R.M. et al. Sympathische neuron-geassocieerde macrofagen dragen bij aan obesitas door norepinefrine te importeren en te metaboliseren. nat. Med. 23, 1309–1318 (2017).

Camell, C.D. et al. Door ontstekingen aangestuurd katabolisme van catecholamine in macrofagen stompt lipolyse af tijdens veroudering. Natuur 550, 119–123 (2017).

Chung, K.J. et al. Een zelfvoorzienende lus van ontstekingsgestuurde remming van beige adipogenese bij obesitas. nat. Immunol. 18, 654–664 (2017).

Hu, B. et al. γδ T-cellen en adipocyt IL-17RC regelen de vetinnervatie en thermogenese. Natuur 578, 610–614 (2020).

Brestoff, J.R. et al. Groep 2 aangeboren lymfoïde cellen bevorderen de vorming van wit vetweefsel en beperken obesitas. Natuur 519, 242–246 (2015).

Lee, M.W. et al. Geactiveerde type 2 aangeboren lymfoïde cellen reguleren de biogenese van beige vet. Cel 160, 74–87 (2015).

Zhang, X. et al.Functionele inactivatie van mestcellen verbetert het bruin worden van onderhuids vetweefsel bij muizen. Cel vertegenwoordiger 28, 792–803.e4 (2019).

Finlin, B.S. et al. Mestcellen bevorderen seizoensgebonden wit vetweefsel bij mensen. suikerziekte 66, 1237–1246 (2017).

Lynch, L. et al. iNKT-cellen induceren FGF21 voor thermogenese en zijn vereist voor maximaal gewichtsverlies bij GLP1-therapie. Cel Metab. 24, 510–519 (2016).

Cypess, A.M. et al. Koude maar niet sympathicomimetica activeert in vivo menselijk bruin vetweefsel. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 109, 10001–10005 (2012).

Cypess, A.M. et al. Activering van menselijk bruin vetweefsel door een β3-adrenerge receptoragonist. Cel Metab. 21, 33–38 (2015).

O'Mara, A.E. et al. Chronische behandeling met mirabegron verhoogt de gevoeligheid voor menselijk bruin vet, HDL-cholesterol en insuline. J. Clin. Investeren. 130, 2209–2219 (2020). Deze studie toont aan dat chronische behandeling met mirabegron de activiteit van menselijk bruin vet verhoogt, wat geassocieerd is met verhoogde HDL en verbeterde insulinegevoeligheid.

Blondin, D.P. et al. Thermogenese van menselijke bruine adipocyten wordt aangedreven door β2-AR-stimulatie. Cel Metab. 32, 287–300.e7 (2020).

Broeders, E.P. et al. Het galzuur chenodeoxycholzuur verhoogt de activiteit van menselijk bruin vetweefsel. Cel Metab. 22, 418–426 (2015).

Ramage, L.E. et al. Glucocorticoïden verhogen de activiteit van bruin vetweefsel bij mensen acuut, wat soortspecifieke verschillen in UCP-1-regulatie onthult. Cel Metab. 24, 130–141 (2016).

Yoneshiro, T., Aita, S., Kawai, Y., Iwanaga, T. & Saito, M. Niet-prikkende capsaïcine-analogen (capsinoïden) verhogen het energieverbruik door de activering van bruin vetweefsel bij mensen. Ben. J. Clin. Nutr. 95, 845–850 (2012).

Ohyama, K. et al. Een synergetisch anti-obesitas-effect door een combinatie van capsinoïden en koude temperatuur door de biogenese van beige adipocyten te bevorderen. suikerziekte 65, 1410–1423 (2016).

Wang, S. et al. Curcumine bevordert het bruin worden van wit vetweefsel op een noradrenaline-afhankelijke manier. Biochem. Biofysica. Onderzoek gemeenschappelijk. 466, 247–253 (2015).

Jiang, J. et al. Kaneelaldehyde induceert vetcel-autonome thermogenese en metabolische herprogrammering. Metabolisme 77, 58–64 (2017).


5.5: Elektronentransport loskoppelen van ATP-synthese - biologie

Cellulaire ademhaling is de reeks metabolische reacties die door cellen worden gebruikt om energie uit voedsel te halen. Het katabolisme van glucose onder aerobe omstandigheden vindt plaats in drie opeenvolgende metabole routes: glycolyse, pyruvaatoxidatie en de citroenzuurcyclus. De gereduceerde co-enzymen die door deze metabole routes worden geproduceerd, worden vervolgens geoxideerd door de ademhalingsketen en ATP wordt gemaakt. Via deze routes is glucose volledig geoxideerd en heeft de cel veel ATP-moleculen gekregen, een veelzijdige energiedrager die de meeste soorten cellulair werk voedt.

In deze tutorial zullen we de werking van de elektronentransportketen en de productie van ATP onderzoeken. Bij cellulaire ademhaling is het de werking van de elektronentransportketen die het grootste deel van de ATP voor de cel produceert.

CONCLUSIE

Tijdens de vroege fasen van cellulaire ademhaling wordt glucose volledig afgebroken. CO2 komt vrij in de atmosfeer en de waterstofatomen uit glucose worden gedoneerd aan de energiedragers NAD + en FAD om NADH + H + en FADH te vormen2. Om ervoor te zorgen dat de cellulaire ademhaling op aanvullende glucosemoleculen blijft werken, moeten deze energiedragers worden gerecycled.

Het werk van de ademhalingsketen is gedeeltelijk om deze dragers te recyclen. De dragers doneren hun extra waterstofatomen aan de ademhalingsketen en zetten daardoor weer om in NAD+ en FAD. In de bijbehorende animatie hebben we ons gericht op NADH, dat een waterstofatoom afstaat aan het eerste complex in de keten. FADH2 (niet getoond in de animatie) doneert aan een ander complex.

Het andere werk van de ademhalingsketen is om de chemische energie van de waterstofatomen (in het bijzonder hun elektronen) om te zetten in potentiële energie. In een reeks redoxreacties springen elektronen van het ene complex naar het andere en daarbij komt energie vrij. De keten gebruikt de vrijgekomen energie om protonen over het membraan te pompen, van een gebied met een lage concentratie in het mitochondrion naar een gebied met een hoge concentratie in de intermembrane ruimte. Deze concentratiegradiënt vertegenwoordigt potentiële energie.

De cel tapt de potentiële energie van de gradiënt af wanneer protonen terugstromen over het membraan door een porie in het ATP-synthasecomplex. Terwijl de protonen stromen, geven ze energie vrij, die het complex gebruikt om ADP en anorganisch fosfaat om te zetten in ATP. De productie van ATP uit energie afkomstig van de stroom van elektronen door de ademhalingsketen wordt oxidatieve fosforylering genoemd. Chemiosmosis is een andere term voor ATP-synthese, verwijzend naar het gebruik van een protongradiënt om de productie van ATP te voeden.

Leerboekreferentie: Concept 6.2 Koolhydraatkatabolisme in aanwezigheid van zuurstof maakt een grote hoeveelheid energie vrij


Bekijk de video: METABOLISME: FOSFORILASI OKSIDATIF (December 2021).